Вопрос №?. Топливные элементы.

Топливный элемент – электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу. Топливный элемент работает благодаря непрерывно поступающим в него и разделенным в пространстве электролитом окислителю и восстановителю. Проходя через пористые электроды, изготовленные из спрессованного графита, и контактируя с электролитом, восстановитель окисляется, а окислитель восстанавливается. Разность электродных потенциалов определяет напряжение элемента. Электролитом может служить раствор кислоты или щелочи, расплав соли. В качестве окислителей берут кислород или воздух, а как восстановители берут водород, горючие газы или жидкости.

Электродные процессы при работе топливного элемента состоят из двух полуреакций окислительно-восстановительной реакции. Например, в водородно-кислородном топливном элементе с раствором щелочи в качестве электролита протекают следующие процессы:

2H₂+4OH^--4e^-=4H₂O

O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-

2H₂+O₂=2H₂O

Достаточно высокий КПД. Выгоднее, чем процессы горения, идущие с большими потерями энергии. Экологичность, так как в воздух не выделяются продукты сгорания топлива.

Вопрос №37. Электролиз растворов и расплавов. Последовательность электродных процессов. Перенапряжение и поляризация.

Электролиз – окислительно-восстановительные процессы разложения раствора или расплава сложного вещества на электродах под действием источника внешней энергии.

При электролизе анод заряжен положительно, на нем происходит окисление, катод заряжен отрицательно, на нем происходит восстановление.

Примером электролиза может служить электролиз расплава хлорида натрия. При прохождении тока через расплав катионы натрия под действием электрического поля движутся к отрицательно заряженному катоду. Здесь они взаимодействуют с приходящими по внешней цепи электронами, восстанавливаясь.

Na⁺ + e^- = Na

Анионы хлора перемещаются к положительно заряженному аноду, отдавая ему электроны. Происходит окисление и связывание атомов в молекулы.

2Cl^- - 2e^- = Cl₂

2NaCl = 2Na + Cl₂

При электролизе водных растворов необходимо учитывать, что вода также является электролитом. При pH=7, потенциал водорода равен -0,41. Если катион металла имеет электродный потенциал значительно более отрицательный, чем водород, то на катоде произойдет выделение водорода. Если потенциал металла более положительный, чем потенциал водорода, то металл восстановится на катоде. Если же потенциалы металла и водорода приблизительно равны, то наблюдается совместное выделение металла и водорода.

Чем выше потенциал, тем труднее происходит окисление на аноде, поэтому в водных растворах также возможно выделение кислорода: в щелочной среде 4OH^- - 4e^- = O₂ + 2H₂O в кислой и нейтральной среде 2H₂O – 4e^- = O₂ + 4H⁺

Когда электрод находится при потенциале, равном равновесному, на нем устанавливается электрохимическое равновесие

Ox+ne=Red

При смещении потенциала электрода в положительную или отрицательную сторону на нем начинают протекать процессы окисления или восстановления. Отклонение потенциала электрода от его равновесного значения называется электрохимической поляризацией.

Поляризацию можно осуществить включением электрода в цепь постоянного тока. Такой способ называется поляризацией от внешнего источника электрической энергии. Так можно сделать изучаемый электрод катодом или анодом. Поляризация электрода в отрицательную сторону связана с восстановлением, а в положительную сторону – с окислением. Процесс восстановления называется катодным процессом, а окисления – анодным. Соответственно катодная поляризация и анодная.

Другой способ поляризации электрода – его контакт с электрохимической системой, электродный потенциал которой имеет более положительное или более отрицательное значение. Катодный процесс возникнет на более положительном электроде, а анодный на более отрицательном. В результате изменится концентрация ионов, следовательно изменится потенциал. Такой вид поляризации носит название концентрационной поляризации.

Газовая поляризация связана с тем, что образующиеся газы адсорбируются поверхностью электрода, препятствуя доступу новых ионов к электроду. Разрядка ионов затрудняется. Для ослабления газовой поляризации электродов в электролит вводят деполяризаторы, окисляющие или восстанавливающие появляющийся газ.

Химическая поляризация: при прохождении электрического тока и при взаимодействии с раствором электролита, материал поверхности электрода может образовывать различные химические соединения с различной растворимостью. Если эти вещества

малорастворимы, то, находясь на поверхности электрода, они оказывают дополнительное сопротивление протеканию электродного процесса. В предельном случае может возникнуть даже полная пассивация электрода.

Поляризация электрода – необходимое условие протекания электродного процесса. Рассмотрим катодное восстановление ионов водорода. Если катод изготовлен из платины, то для выделения водорода с заданной скоростью необходима определенная величина катодной поляризации. При замене платинового катода на серебряный понадобится еще большая поляризация. Различные металлы обладают различной каталитической активностью по отношению к процессу восстановления ионов водорода. Величина поляризации, необходимая для протекания данного электродного процесса с определенной скоростью, называется перенапряжением данного электродного процесса.

Законы электролиза:

1. Масса образующегося при электролизе вещества пропорциональна количеству прошедшего через раствор электричества.

2. При электролизе различных химических соединений равные количества электричества приводят к электрохимическому превращению эквивалентных количеств веществ.