- •8. Окислительно-восстановительные процессы
- •8.1 Окислительно-восстановительные реакции
- •8.1.1. Степень окисления элементов
- •8.1.2. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций
- •8.2. Типы окислительно-восстановительных реакций
- •8.3. Направление окислительно-восстановительных реакций
- •8.4. Электрохимические процессы
- •8.4.1. Электродный потенциал
- •8.4.2. Уравнение Нернста
- •8.4.3. Гальванические элементы
- •8.4.4. Электродвижущая сила гальванического элемента
- •8.4.5. Измерение э.Д.С. Гальванического элемента
- •8.5. Химические источники тока
- •8.5.1. Гальванические первичные элементы
- •8.5.2. Аккумуляторы
- •8.5.3 Топливные элементы и электрохимические энергоустановки
- •8.6. Электролиз
- •8.6.1. Электролиз расплавов
- •8.6.2. Электролиз водных растворов
- •8.6.3. Законы электролиза
- •8.6.4. Электрохимическая поляризация при электролизе
- •8.6.5. Перенапряжение. Потенциал разложения
- •8.6.6. Выход по току
- •8.6.7. Применение электролиза
- •8.7. Коррозия металлов
- •8.7.1. Химическая коррозия
- •8.7.2. Электрохимическая коррозия
- •8.7.3. Методы защиты металлов от коррозии
8.5. Химические источники тока
Электрохимический способ преобразования химической энергии в электрическую с помощью химических источников обладает рядом достоинств по сравнению с другими способами. Он обладает высоким к.п.д., бесшумностью, безвредностью, возможностью использования в космосе и под водой, в переносных устройствах и на транспорте.
Электрохимические источники тока делят на три группы:
1. гальванические первичные элементы;
2. вторичные источники тока (аккумуляторы);
3. электрохимические генераторы (топливные элементы).
8.5.1. Гальванические первичные элементы
Гальваническими первичными элементами называются устройства для прямого преобразования химической энергии заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя) в электрическую. Эти источники одноразового действия непрерывного или с перерывами. Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие источника прекращается после расхода реагентов. Примером гальванического элемента служит рассмотренный элемент Даниэля –Якоби.
Гальванические элементы характеризуются: э.д.с., емкостью, энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь, сохраняемостью.
Э.д.с. элемента определяется термодинамическим функциями, протекающих в них процессов.
Емкость элемента – это количество электричества, которое источник тока отдает при разряде. Зависит от массы запасенных в источнике реагентов и степени их превращения. Емкость элемента снижается с понижением температуры, увеличением разрядного тока.
Энергия элемента численно равна произведению его емкости на напряжение. Энергия возрастает с увеличением количества вещества реагентов в элементе и до определенного предела с увеличением температуры. Увеличение разрядного тока уменьшает энергию.
Сохраняемость – это срок хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах. Увеличение температуры хранения уменьшает сохраняемость элемента.
Широкое распространение (радиоаппаратура и электронные устройства, карманные фонарики и др.) получили марганцево-цинковые элементы, в которых анодом служит цинковый электрод, катодом - электрод из смеси диоксида марганца с графитом, токоотводом – графит. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя. Схематически элемент изображается следующим образом
(+)MnO2,C|NH4Cl|Zn(-) Eэ = (1,5 – 1,8) В.
Токообразующая реакция элемента имеет вид
Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = [Zn(NH3)2]Cl2 + 2MnOOH.
На аноде элемента протекает реакция окисления цинка, на катоде восстановление Mn(IV) до Mn(III)
Анод Zn - 2e‾ = Zn2+
Катод Mn4+ + 1e‾ = Mn3+.
Mарганцево-цинковые элементы относительно дешевы, но имеют невысокие эксплуатационные характеристики. Напряжение элемента быстро уменьшается во времени при увеличении тока нагрузки и понижении температуры, особенно при отрицательных температурах. Более высокие характеристики имеют элементы с теми же электродами, но щелочным электролитом (KOH). В последние годы широкое применение получили элементы с литиевыми анодами, неводными растворами электролитов и катодными материалами на основе оксида марганца, оксида меди, сульфида железа и др. Эти элементы характеризуются стабильным напряжением, длительной сохраняемостью, способностью работать при низких (до – 50 ºС) температурах.