|
Читайте также: |
Сухие элементы. Недостатком элемента Даниэля-Якоби и ему подобных является наличие жидких растворов, которые могут вытекать и попадать на окружающие предметы. Поэтому такие элементы в настоящее время используют только в лабораторных условиях.
Разновидность гальванических элементов, называемая сухим элементом («электрическая батарейка»), получила широкую распространенность благодаря тому, что этот элемент используется для питания радиоприемников, фонарей, наручных часов и т. д.
Рисунок 2.4 Конструкция сухого элемента
| Другое его название – элемент Лекланше – по имени изобретателя Ж.Лекланше, который запатентовал его в 1866 г. В одном из вариантов (кислом) анод выполнен в виде цинковой оболочки элемента, контактирующей с влажной пастой из MnO2, NH4Cl и угля. В пасту погружен инертный катод, представляющий собой графитовый стержень, как показано на рисунке 2.4. Снаружи сухой элемент имеет оболочку из металла, предохраняющую его от атмосферных воздействий. |
При работе такого элемента происходят следующие процессы:
А(–) Zn0 (тв) – 2 ē = Zn 2+(водн)
К(+) 2 MnО2 (тв) +2NH4+(водн) + 2 ē = Мn2О3 (тв) + 2NН3(водн) + Н2О(ж)
Суммарная токообразующая реакция:
2 Zn (тв) + 2 MnO2 (тв) + 2NH4+(водн) = Zn2+(водн) + Mn2O3(тв) + 2NH3(водн) + H2O(ж)
В другом варианте (щелочном) вместо NH4Cl используется КОН (щелочь). Анодная реакция по-прежнему включает окисление Zn, а катодная – восстановление MnO2. Сухой элемент такого типа обладает большей работоспособностью, чем с NH4Cl. Однако сухие щелочные элементы дороже кислотных. В любом случае сухой элемент дает напряжение ~1,5 В.
Аккумуляторы. Описанные выше источники тока, которые после разрядки или израсходования одного из веществ, нельзя использовать повторно, называются первичными элементами. Аккумуляторы называются вторичными элементами т. к. могут эксплуатироваться в течение длительного времени благодаря возможности перезарядки, в ходе которой происходит регенерация реагентов.
Рисунок 2.5 Устройство свинцового аккумулятора
| Рассмотрим работу таких источников тока на примере свинцового аккумулятора (см. рисунок 2.5). Заряженный свинцовый аккумулятор состоит из свинцовых анодов и катодов в виде свинцовой решетки, заполненной оксидом свинца (IV). В качестве электролита используется 30%-ный раствор серной кислоты. При разрядке аккумулятор работает как обычный гальванический элемент и является источником постоянного тока. |
При этом на электродах происходят следующие процессы:
А (–) Рb (тв) + SO4 2-(водн) – 2ē = РbSО4 (тв)
К (+) РbО2 (тв)+ 4Н+ (водн) + SO42- (водн) + 2ē = РbSО4 (тв) + 2Н2О (ж)
В ходе разряда, пластины покрываются слоем сульфата свинца, а концентрация раствора серной кислоты уменьшается. Напряжение заряженного аккумулятора составляет 1,95-2,15 В и при разряде постепенно уменьшается. Когда концентрация серной кислоты уменьшается до 18-20%, производят заряд аккумулятора. Для этого его подключают к источнику постоянного тока и проводят процесс электролиза (о котором подробно рассказывается в работе 4.1). При заряде аккумулятора электродные реакции протекают в обратном направлении, а именно:
К (–) РbSО4 (тв) + 2ē = Рb (тв) + SO42- (водн)
А(+) РbSО4 (тв)+ 2Н2O(ж) – 2ē = РbО2 (тв) +4Н+ (водн) + SO42- (водн)
В ходе заряда аккумулятора, концентрация серной кислоты увеличивается, а пластины приходят в исходное состояние, после чего может производиться разряд аккумулятора.
Топливными элементами называются источники тока, в которых химическая энергия какого-либо топлива и окислителя, подаваемых к электродам, непосредственно превращается в электрическую энергию. Электрохимическую систему топливного элемента схематически записывают в виде:
А (–) M1, топливо | электролит | окислитель, M2 (+) К
В качестве «топлива» в топливных элементах можно использовать H2, C, CO, CH3OH, N2H4 и др. Окислителем служит чистый кислород или кислород воздуха.
При работе топливного элемента на отрицательном электроде протекает реакция окисления топлива или продуктов его переработки (водорода, оксида углерода, водяного газа и др.) кислородом:
Топливо – n ē = Продукты окисления.
Выделяющаяся энергия непосредственно превращается в постоянный электрический ток. Существенным достоинством топливных элементов является высокий коэффициент полезного действия (к.п.д.). Коэффициент использования топлива составляет свыше 80%, в то время как обычные теплосиловые установки, используемые для получения электроэнергии, характеризуются коэффициентами 30-35%.
На положительном электроде протекает восстановление окислителя:
Окислитель + n ē = Продукты восстановления.
Для увеличения скорости электродных реакций в топливных элементах применяют каталитически активные материалы (M1 и M2).
Рисунок 2.6 Схема топливного элемента на основе H2–O2
| Наибольший интерес представляют низкотемпературные топливные элементы, среди которых наиболее простым является водородно-кислородный топливный элемент со щелочным электролитом (см. рисунок 2.6). В котором газообразные водород и кислород пропускают через пористые угольные электроды (1) в концентрированный раствор щелочи (2). Чтобы понизить энергию активации процессов окисления водорода и восстановления кислорода, электроды покрыты специальными катализаторами. |
Этот элемент можно представить следующим образом:
А (–) M1, H2 | KOH |O2, M2 (+) К
При работе такого элемента на водородном электроде протекает реакция окисления водорода:
А (–) 2Н2 (г) + 4ОН- (водн) – 4ē = 4Н2О (ж)
На кислородном электроде – восстановление кислорода:
К (+) О2 (г) + 2Н2О (ж) + 4ē = 4ОН-
или суммарно:
2Н2 (г) + О2 (г) = 2Н2О (ж)
Топливные элементы – перспективные источники энергии будущего. На американских космических кораблях использовались водородно-кислородные элементы, причем за счет образующейся в элементе воды пополнялись запасы питьевой воды для космонавтов.
Дата добавления: 2015-12-01; просмотров: 27 | Нарушение авторских прав