Материал: Курс общей химии. Спиридонов Б.А

На аноде происходит анодное окисление цинка, на катоде Mn (IV) восстанавливается до Mn (III). Суммарное уравнение токообразующей реакции:

Zn + 2NH 4 Cl + 2MnO2 = Zn NH 3 2 Cl 2 2MnOOH

Элемент имеет напряжение 1,4 1,6 В, удельную энергию 10 - 50 Вт·ч/кг. В элементах с такими же реагентами, но со щелочным электролитом (КОН) получают более высокую удельную энергию 20 - 80 Вт·ч/кг. Если требуется высокая сохранность в рабочем состоянии, постоянное напряжение и высокая удельная энергия на единицу объема, используют ртут- но-цинковые элементы:

Zn KOH HgO, C

Напряжение элемента 1,0 – 1,3 В, удельная энергия 50 - 130 Вт·ч/кг. Элементы применяются в портативных радиоприемниках и передатчиках, слуховых аппаратах, кардиостимуляторах.

Напряжение можно увеличить при использовании анодов из магния. Однако такие аноды в водных растворах подвергаются коррозии. Коррозию можно предотвратить применением неводных растворов электролитов, в которых устойчивы даже щелочные металлы. В последние годы разработаны элементы с литиевыми анодами, неводными растворами электролитов (тетрагидрофуран и др.) и катодными материалами на основе оксида марганца, оксида или сульфида или фторида меди (Cu) и др. Такие элементы характеризуются высоким разрядным напряжением (2,0 - 3,0 В) и удельной энергией (200 - 500 Вт · ч/кг).

9.6. Аккумуляторы

Это устройства, в которых электрическая энергия превращается в химическую, а химическая – снова в электрическую. В аккумуляторах под воздействием внешнего источника

253

тока накапливается (аккумулируется) химическая энергия, которая затем переходит в электрическую. Процессы накопления химической энергии получили название заряда аккумуляторов, процессы превращения химической энергии в электрическую - разряда аккумулятора. При заряде аккумулятор работает как электролизер, при разряде – как гальванический элемент.

Впроцессе разряда и заряда изменяется состав активных масс аккумулятора и соответственно Э.Д.С и напряжение. Разрядное напряжение уменьшается, а зарядное напряжение возрастает во времени.

Внастоящее время наиболее распространенными являются свинцовые аккумуляторы, в которых в качестве электро-

Состоит он из решетчатых свинцовых пластин, погруженных в H2SO4. Решетки вначале заполняются оксидом свинца, который при взаимодействии с H2SO4 превращается в PbSO4. Пластины, содержащие губчатый свинец служат анодами (-), а диоксид свинца – катодами (+).

При разряде аккумулятора в нем протекают окислитель- но-восстановительные реакции:

Анод: Pb + SO 24 - 2 e PbSO 4 - окисление

Катод: PbO 2 + SO 24 + 4H + 2ē PbSO4+ 2H 2 O –

- восстановление.

Электроны, отдаваемые металлическим свинцом Рb принимаются PbО 2 при восстановлении. Электроны по внешней цепи передаются от Pb к PbО 2

_

2е

Pb |H 2 SO 4 | PbО 2

Суммарная реакция в аккумуляторе:

254

Pb + PbO 2 + 4H++ 2SO 24 = 2PbSO 4 + 2H 2 O

Значение ЭДС аккумулятора равно разности потенциалов электродов и рассчитывается по уравнению:

В результате заряда активная масса одного электрода превращается из PbSO 4 в Pb, а активная масса второго электрода из PbSO 4 в PbO 2 .

При заряде напряжение выше ЭДС и растет в течение заряда. В конце заряда напряжение достигает значения доста-

В конце заряда происходит только электролиз воды («кипит»).

255

При разряде аккумулятора процессы идут в обратном направлении, при этом падает его ЭДС и напряжение. Однако, при напряжении ниже 1,7 В (пл. H 2 SO 4 1,17 г/см3) происходит быстрое и необратимое падение напряжения. На электродах образуется неактивная пленка PbSO 4 , изолирующая активную

массу от электролита. Поэтому ниже, чем 1,7 В разряд производить не следует.

Свинцовый аккумулятор обладает существенными достоинствами: высоким к.п.д. (около 80 %), высокой Э.Д.С. и относительно малым ее изменением при разряде, простотой и невысокой ценой.

Недостатки: невысокая удельная энергия (20 - 30 Вт·ч/кг), саморазряд аккумулятора при хранении и малый срок службы (2 - 5 лет). Свинцовые аккумуляторы широко используются на электростанциях, телефонных узлах, на железных дорогах, подводных лодках, самолетах, автомобилях, электрокарах и других устройствах.

Кроме кислотных широко применяются и щелочные аккумуляторы. Наиболее распространенные из них никелькадмиевые и никель - железные аккумуляторы. Положительный электрод содержит гидрооксид никеля, отрицательный электрод - оответственно кадмий или железо. Электролит – 20 - 23,0 % раствор КОН. Суммарные реакции можно записать:

(до 10 лет).

256

К недостаткам: невысокие к.п.д (60 - 65 %) и Э.Д.С.

Для электромобилей разрабатываются различные аккумуляторы. У свинцовых – из-за малой удельной энергии - малый пробег 60 км. Никель – цинковые – удельная энергия 50

Вт·ч/кг – 150 км.

9.7. Топливные элементы

Разновидностью гальванического элемента является топливный элемент, режим работы которого в отличие от гальванического элемента – непрерывный, так как топливо и окислитель в топливный элемент подаются непрерывно по мере их расходования, а продукты реакции непрерывно отводятся.

Принципиальная схема водородно-кислородного элемента представлена на рис. 63. Топливо окисляется на аноде, отдавая электроны.

2H 2 + 4OH - 4 e = 4H 2 O

Окислитель принимает их на катоде и восстанавливается:

Рис. 63. Схема кислородно-водородного топливного элемента Между анодом и катодом возникает разность потенциа-

лов.

257