Практическое использование электрохимических процессов. Химические источники тока

34 Практическое использование электрохимических процессов. Химические источники тока

Существование электрохимических систем возможно из-за возникновения разности потенциалов между металлами и электролитом при их контакте. Измерить потенциал металла (электрода) непосредственно нельзя, но можно измерить его относительно другого электрода.

Эталоном при сопоставлении металлов по их энергетическому потенциалу является стандартный водородный электрод, потенциал которого условно принимается за нуль. Его устройство таково: платиновый электрод покрыт мелкодисперсной платиной (платиновой чернью), погружен в раствор серной кислоты с концентрацией ионов водорода 1 моль/л, обдувается струей газообразного водорода под давлением 100 кПа (Т = 298 K). Водород адсорбируется на поверхности платины. На практике при потенциометрических измерениях водородный электрод используют редко. Чаще применяют более удобные компактные электроды сравнения, имеющие определенное значение потенциала относительно водородного электрода. Обычно пользуются каломельным электродом, состоящим из металлической ртути и раствора хлорида ртути (каломели Hg2Cl2) в хлориде калия. Потенциал каломельного электрода зависит от концентрации ионов ртути, а последняя – от концентрации раствора KCl.

На основании теоретических расчетов установлено, что величина электродного потенциала, возникающая на границе между металлом и раствором соли этого металла (т. е. раствором, содержащим ионы этого металла), равна:

где Е0 – электрическая постоянная, зависящая от выбора электрода сравнения, R – газовая постоянная, равная 8,32 Дж/граджмоль, Т – абсолютная температура, n – степень окисления металла в данном соединении (в соответствии с теорией строения атома – число электронов, которое теряет атом металла, превращаясь в ион), F – число Фарадея, с – молярная концентрация ионов металла в данном растворе.

Это уравнение выражает зависимость потенциала металла от концентрации его ионов в растворе и называется уравнением Нернста. При использовании концентрированных растворов сильных электролитов концентрация иона в растворе заменяется его активностью. При активности, равной единице, второе слагаемое правой части уравнения становится равным нулю, и тогда E = E0. Если электродом сравнения взят стандартный водородный электрод, то такой гальванический элемент дает возможность получить значение стандартного электродного потенциала для данного металла.

Электродный потенциал измеряется в вольтах и равен энергии (измеряемой в джоулях, Дж), отнесенной к количеству электричества (измеряемому в кулонах, Кл), т.е. 1 В = 1 Дж/Кл. Тогда потенциалу гальванического элемента можно придать следующий физический смысл: это мера энергии, вырабатываемой в ходе протекающих в системе химических реакций. В физике единица измерения электродвижущей силы (ЭДС) – вольт – представляет собой ту силу, которая позволяет заряду в 1 кулон совершить работу в 1 джоуль.

Целостное представление о химической системе невозможно создать без связи с жизнью, с практикой. Изучение электрохимических систем необходимо для понимания не только широко используемых процессов (в гальванических элементах, в аккумуляторах, при электролизе), но и других явлений окружающего мира, в частности широко распространенных процессов коррозии. Атмосферная коррозия, разрушительное действие которой знакомо всем, возникает при контакте двух разнородных металлов, образующих гальваническую пару в среде электролита. В такой паре более активный металл играет роль анода и окисляется. Поучительной является история одного состоятельного американца, пожелавшего, не считаясь с затратами, построить уникальную яхту. Ее днище обшили дорогим монтель-металлом (сплав 70% никеля, около 30% меди; 1–2% железа и марганца), а киль, форштевень и раму руля изготовили из стали. При спуске яхты на воду в ее подводной части образовалась гальваническая пара. Значительная разность электродных потенциалов у монтель-металла и стали заставляла гальванический элемент активно работать, в результате еще до завершения отделочных работ корпус яхты дал первую течь.

Электрохимические методы широко применяются в аналитической химии. Защита окружающей среды предполагает постоянный аналитический контроль (мониторинг) множества разных объектов: во'ды (поверхностные, морские, речные, озерные), воздух (в том числе аэрозоли, пыли, туманы, дымы), почвы и донные отложения, растения, сельскохозяйственная продукция, пищевые продукты, корма, ткани животных и человека. Вредные химические вещества распространены повсюду в окружающей среде. Основная задача аналитического контроля заключается в том, чтобы получить объективную информацию о содержании вредных компонентов в среде обитания.

Начало развития электрохимических методов анализа связывают с возникновением классического электрогравиметрического метода (около 1864 г., У.Гиббс). Открытие М.Фарадеем в 1834 г. законов электролиза позднее легло в основу метода кулонометрии (применение этого метода началось с 1930-х гг.). Настоящий перелом в развитии этих методов произошел после открытия в 1922 г. Я.Гейровским метода полярографии (электролиз с капающим ртутным электродом). Электрохимические методы анализа чаще других используют в аналитической химии окружающей среды: в анализе вод, атмосферы, почв и пищи.

Таким образом, знакомясь с электрохимическими системами, учащиеся могут увидеть практическую ценность химической науки. Кроме того, рассмотрение электрохимических систем подводит учащихся к выводу о единстве важнейших явлений окружающего мира (массы и энергии, электрических явлений и химических превращений). Можно ожидать положительных результатов в развитии естественно-научного мировоззрения учащихся, если благодаря творческому подходу педагога целостность представлений об электрохимических системах будет донесена до сознания учащихся.

Химические источники тока

Химические источники тока, устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счёт прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительных реакций. Первые Х. и. т. созданы в 19 в. (Вольтов столб, 1800; элемент Даниела — Якоби, 1836; Лекланше элемент, 1865, и др.). До 60-х гг. 19 в. Х. и. т. были единственными источниками электроэнергии для питания электрических приборов и для лабораторных исследований. Основу Х. и. т. составляют два электрода (один — содержащий окислитель, другой — восстановитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила (эдс), соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие Х. и. т. основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на отрицательном электроде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи (создавая разрядный ток) к положительному электроду, где участвуют в реакции восстановления окислителя.

В зависимости от эксплуатационных особенностей и от электрохимической системы (совокупности реагентов и электролита) Х. и. т. делятся на гальванические элементы (обычно называются просто элементами), которые, как правило, после израсходования реагентов (после разрядки) становятся неработоспособными, и аккумуляторы, в которых реагенты регенерируются при зарядке — пропускании тока от внешнего источника (см. Зарядное устройство). Такое деление условно, т.к. некоторые элементы могут быть частично заряжены. К важным и перспективным Х. и. т. относятся топливные элементы (электрохимические генераторы), способные длительно непрерывно работать за счёт постоянного подвода к электродам новых порций реагентов и отвода продуктов реакции. Конструкция резервных химических источников тока позволяет сохранять их в неактивном состоянии 10—15 лет (см. также Источники тока).

С начала 20 в. производство Х. и. т. непрерывно расширяется в связи с развитием автомобильного транспорта, электротехники, растущим использованием радиоэлектронной и др. аппаратуры с автономным питанием. Промышленность выпускает Х. и. т., в которых преимущественно используются окислители PbO2, NiOOH, MnO2 и др., восстановителями служат Pb, Cd. Zn и др. металлы, а электролитами — водные растворы щелочей, кислот или солей (см., например, Свинцовый аккумулятор).

Основные характеристики ряда Х. и. т. приведены в табл. Лучшие характеристики имеют разрабатываемые Х. и. т. на основе более активных электрохимических систем. Так, в неводных электролитах (органических растворителях, расплавах солей или твёрдых соединениях с ионной проводимостью) в качестве восстановителей можно применять щелочные металлы (см. также Расплавные источники тока). Топливные элементы позволяют использовать энергоёмкие жидкие или газообразные реагенты.

Типы и характеристики основных первичных Химических Источников Тока

Как уже указывалось выше, к наиболее распространенным относятся марганцево-цинковые и литиевые первичные источники тока. Другие источники тока производятся в значительно меньших масштабах. Вкратце опишем основные первичные химические источники тока и их характеристики.

Марганцево-цинковые источники тока с солевым электролитом. Анодом служит цинк, являющийся корпусом источника тока, активным веществом катода - электролитический диоксид марганца или химический диоксид марганца, электролитом - хлорид аммония, хлорид цинка или хлорид аммония с хлоридом цинка. Электролит находится либо в загущенном состоянии, либо в порах микропористого сепаратора. Для снижения скорости или предотвращения коррозии в цинк и в электролит добавляют ингибиторы коррозии. К достоинствам этих батареек относятся невысокая стоимость и большое количество выпускаемых типоразмеров, к недостаткам - падающая разрядная кривая, относительно невысокая удельная энергия, значительное ухудшение характеристик при повышенных нагрузках и низких температурах. Батарейки солевые и щелочные

Марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом. Анодом служит порошкообразный цинк, а катодом - диоксид марганца. Электролитом является гелеобразный раствор КОН или КОН в матрице. В состав анода и электролита включают ингибиторы коррозии. В сравнении с марганцево-цинковым источником тока с солевым электролитом батарейки с щелочным электролитом имеют более высокие емкость и удельную энергию, в особенности при повышенных нагрузках и низкой температуре, но они более дорогие. Батарейки солевые и щелочные

Ртутно-цинковые источники тока. Анодом является порошкообразный цинк, катодом - оксид ртути, электролитом - раствор КОН. Характеризуется горизонтальной разрядной кривой, высокой удельной энергией, низким саморазрядом. К недостаткам относятся плохие характеристики при пониженных температурах, высокая стоимость и, самое главное, высокая токсичность ртути. Применялись в медицинских устройствах, точных приборах и других устройствах. В последние годы из-за токсичности ртути в некоторых странах выпуск прекращен, в других странах существенно сокращен.

Ртутно-кадмиевые источники тока. Анодом служит порошкообразный кадмий, катодом - оксид ртути, электролитом - раствор КОН. Рабочие температуры окружающей среды от -55 до 80 °С. Они имеет горизонтальную разрядную кривую, очень низкий саморазряд, что обеспечивает сохранность заряда до 10 лет. Даже при температуре 60 °С саморазряд не превышает 1% в месяц. К недостаткам относятся токсичность и высокая цена компонентов. Изготавливаются в ограниченных масштабах в дисковой, цилиндрической и призматической формах. Применяются в устройствах контроля бурения нефтяных и газовых скважин, телеметрии двигателей внутреннего сгорания, сигнальных устройствах тревоги, спасательном-оборудовании, устройствах мониторинга в отдаленных районах и т.д. Из-за токсичности производство этих источников тока сокращается.

Серебряно-цинковые первичные источники тока. В качестве анода применяется порошкообразный цинк, катода - оксиды серебра, электролита - раствор КОН или NaОН (загущенные или матричные). Имеют гладкую разрядную кривую, высокую удельную энергию, низкий саморазряд, могут работать при больших токах, однако дороги. Производятся в дисковой форме емкостью до 200 мА·ч. Применяются в часах, фотоаппаратах, слуховых аппаратах и других устройствах.

Медно-цинковые источники тока. Производство этих химических источников тока началось еще в 1889 г. В настоящее время они выпускаются в небольших масштабах в виде элементов емкостью от 250 до 1000 А·ч. Гладкие цинковые пластины и пластины из смеси оксида меди, меди и связующего помещают в стеклянный или металлический сосуд с 20%-ным раствором NaОН. Элементы имеют напряжение 0,6-0,7 В и удельную энергию 25-30 Вт·ч/кг. К их достоинствам относится постоянство разрядного напряжения, очень малый саморазряд, безотказность в работе и невысокая цена. Применялись в системах сигнализации и связи на железных дорогах.

Воздушно-цинковые первичные источники тока. Активным веществом катода служит кислород воздуха, поэтому катод является нерасходуемым, он содержит катализатор восстановления кислорода (активированный уголь или диоксид марганца). В качестве электролита применяется раствор КОН. К достоинствам источника тока относятся очень высокая удельная энергия и относительно невысокая цена, к недостаткам - влияние окружающей среды (влажности воздуха и диоксида углерода) на характеристики источника тока. Производятся две разновидности: призматические с высокой емкостью (до 1000 А·ч) и дисковые с малой емкостью. Используются для питания средств связи, в слуховых аппаратах, медицинских и других устройствах.

Литиевые первичные источники тока с твердыми катодами и апротонным электролитом. Восстановителем является литий, окислителями - оксиды, сульфиды металлов или фтороуглерод. Электролитами служат растворы солей лития (LiClO4, LiBF4 или LiBr) в апротонных растворителях: пропиленкарбонате (ПК), диоксолане (ДОЛ), г-бутиролактоне (БЛ), тетрагидрофуране (ТГФ), диметоксиэтане (ДМЭ) и др. В зависимости от типа используемого окислителя источник тока имеет разрядное напряжение около 1,5В (CuO, CuS, FeS, Bi2O3 или FeS2) или 2,5-3,2В (MnO2, (CF)n, Ag2V4O11, Ag2CrO4, Cu4O(PO4)2 и др.). Литиевые первичные источники тока имеют более высокую емкость и удельную энергию, более широкий интервал рабочих температур, лучшую работоспособность при пониженных температурах и меньшую скорость саморазряда по сравнению с этими же параметрами марганцево-цинковых источников тока. Однако они дороже марганцево-цинковых элементов. Литиевые источники тока с напряжением 1,5В заменяют марганцево-цинковые батарейки одинакового типоразмера, источники тока с напряжением 2,5-3,2В заменяют батареи марганцево-цинковых элементов. Они используются в медицинской, бытовой, промышленной и военной электронике. Литиевые Батарейки

Литиевые источники тока с жидким или растворенным окислителем. В этих источниках тока используются диоксид серы (SO2), растворяющийся в органическом растворителе, жидкие тионилхлорид (SOCl2) и сульфурилхлорид (SO2Cl2). Катоды в источнике тока нерастворимые и изготавливаются из углеродистых материалов, нанесенных на алюминиевую (для SO2), никелевую основу или нержавеющую сталь. Электролитом в элементе системы литий - диоксид серы является LiBr, растворенный в ацетонитриле, в элементах с тионилхлоридом и сульфурилхлоридом - LiAlCl4 в SOCl2 или в SO2Cl2 с добавками. Эти источники тока имеют очень высокую удельную энергию, высокие скорости разряда и удельную мощность, горизонтальную разрядную кривую, способность функционировать при низких температурах (до -55 °С), длительный ресурс. К недостаткам следует отнести сравнительно высокую стоимость, работу под давлением, потенциальную взрывоопасность, присутствие токсичных компонентов. Используются в тех областях, где требуются высокие удельная энергия и мощность, длительная сохранность, способность работать при низких температурах (в космической и военной технике, системах сохранения памяти, и других устройствах). Литиевые Батарейки

Йодно-литиевые источники тока с твердым электролитом. Окислителем является йод, растворенный в твердом поливинилпиридине (ПВП), электролитом - твердая соль LiI, толщина которой непрерывно возрастает в результате токообразующей реакции. Эти источники тока могут храниться очень продолжительное время, имеют высокую удельную энергию, широкий диапазон рабочих температур, но очень низкие скорость разряда и удельную мощность. Используются в основном в кардиостимуляторах и производятся для этих целей в специальной D-образной форме. Литиевые Батарейки

Похожие работы

Химический эксперимент по неорганической химии в системе проблемного обучения

Скачать

141092

16

2

... подкрепляет своим одобрением неправильный или не вполне точный ответ ученика. 1.2 Совершенствование школьного химического эксперимента при проблемном обучении   1.2.1 Принципы разработки методической системы и содержания опытов по химии в системе проблемного обучения Характерной особенностью развивающего обучения является широкое использование проблемного подхода, который включает создание ...

Неорганическая химия

Скачать

17835

0

0

ависимо от способа получения и места нахождения. 2. Строение внешнего электронного уровня атома калия и кальция. 1 правило Клечковского. Строение внешнего электронного уровня атома скандия. 2правило Клечковского У атома аргона остаются незанятыми все орбитали 3d-подуровня. Однако у следующих за аргоном элементов – калия и кальция – заполнение 3-го электронного слоя временно прекращается, и ...

Межпредметные связи в курсе школьного предмета химии на предмете углерода и его соединений

Скачать

229328

20

9

... разовая) – 0,01%. 4 Содержание Введение......................................................................................................................4 Глава 1. Межпредметные связи в курсе школьного предмета химии на примере углерода и его соединений.......................................................................5 1.1 Использование межпредметных связей для формирования у учащихся ...

Становление и развитие химии в России (XVIII – XIX вв.)

Скачать

36374

0

0

... учреждение страны, а в ее задачи входило усовершенствование наук, просвещение, а также усовершенствование мануфактур, ремесел и фабрик. В то же время в начале XIX столетия, особенно после Отечественной войны 1812 г., в развитии химии в России появились новые черты. Смена мануфактурного производства фабрично-заводским выдвинула перед учеными множество практических задач, связанных с рациональной ...