Материал: Курс общей химии. Спиридонов Б.А

При замыкании внешней цепи электроны перемещаются по ней от анода к катоду, при этом напряжение элемента может достигать от 0,7 до 0,9 В. Общее управление химической реакции в топливном элементе:

H 2 + 12 O 2 H 2 O

Отработанный пар отводится.

Анод - пористый никелевокерамический сплав с включениями никелевой пыли; катод - пористый никелево - керамический сплав с включениями серебряной пыли.

В зависимости от области рабочих температур различают низкотемпературные (до 150 °С), среднетемпературные (170 – 430 °С) и высокотемпературные (500 – 1100 °С) топливные элементы. Давление, при котором находятся рабочие вещества, может быть в пределах 1 - 100 бар. В качестве электролитов используют кислотные и щелочные растворы или ионообменные мембраны (в низкотемпературных элементах), жидкости, расплавы или пасты (в области средних T и p), щелочно - карбонатные расплавы или твердые ионопроводящие материалы (при высоких рабочих температурах).

Для большего повышения скорости реакции на пористые электроды наносят каталитически активные благородные металлы, в частности Pt и Pd. Несмотря на это, проблема электродов удовлетворительно решена только для водороднокислородных топливных элементов.

В отличие от гальванических элементов топливные элементы не могут работать без вспомогательных устройств. Для увеличения напряжения и тока элементы соединяют батареи. Система, состоящая из батарей топливных элементов, устройств для подвода топлива и окислителя, вывода из элементов продуктов реакции, поддержания и регулирования температуры, получила название электрохимического генератора. К настоящему времени созданы электрохимические генераторы, мощностью от десятков ватт до тысячи киловатт. Удельная энергия их выше удельной энергии гальванических элементов.

258

Наиболее разработаны кислородно-водородные генераторы, которые уже применяются на космических кораблях. Они обеспечивают космический корабль и космонавтов не только электроэнергией, но и водой, которая является продуктом горения в топливном элементе.

9.8. Теоретические основы электролиза

Электролизом называют совокупность окислительновосстановительных процессов, которые происходят под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника, на электродах, погруженных в расплав или раствор электролита. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую. Под действием поля движение ионов в электролите становится направленным. Отрицательные частицы (анионы) перемещаются к аноду (А), который подключен к положительному полюсу источника тока. На аноде протекает реакция окисления. Положительно заряженные ионы направляются к катоду (К), подключенному к отрицательному полюсу источника тока. На катоде протекает реакция восстановления. Для осуществления электролиза используют источник электрического тока, электролизер, в который помещают расплав или раствор электролита и электроды. В большинстве случаев применяются металлические электроды, но иногда могут быть использованы и неметаллические, проводящие электрический ток (например, графитовые).

В качестве примера рассмотрим электролиз расплава хлорида натрия. При прохождении тока через расплав катионы натрия Na+ под действием сил электрического поля движутся к катоду, минусу (-). Здесь, взаимодействуя с приходящими по внешней цепи электронами, они восстанавливаются:

Na+ + ē ═ Na

259

Анионы хлора, перемещаясь к аноду и теряя электроны окисляются:

2Сl- - 2ē ═ Cl2

Таким образом, в процессе электролиза протекает окис- лительно-восстановительная реакция, но не самопроизвольно, как в гальваническом элементе, а за счет энергии электрического тока, подводимого извне.

Рассмотрим условия, необходимые для протекания электролиза. В результате работы внешнего источника тока на катоде возникает избыток электронов. Поэтому катод выступает в роли восстановителя по отношению к разряжающимся на нем частицам. Напротив, анод проявляет функции окислителя.

Таким образом, для того чтобы на катоде стал возможным разряд какого-либо вещества необходимо повышать на пряжение на электролизере до тех пор, пока потенциал катода не станет меньше окислительно-восстановительного потенциала разряжающегося вещества:

где Ek - потенциал катода; E(Ox/Red)к потенциал разряжающегося вещества.

Ванодном процессе соотношение потенциалов электрода

иразряжающегося вещества обратное:

где Ea - потенциал анода; E(Ox/Red)а - потенциал разряжающегося вещества, Ox - окисленная форма вещества; Red - восстановленная форма вещества.

Скорость электродных процессов. Обеспечение только необходимых условий (1) и (2) не всегда является достаточным для того, чтобы электродный процесс проходил с требуемой

260

скоростью. Экспериментально установлено, что скорость электродной реакции зависит от природы разряжающихся частиц, их концентрации и скорости их диффузии; от материала электрода, состояния его поверхности и что особенно важно, от величины потенциала электрода. Зависимость скорости катодного и анодного процессов i от потенциала E представлена на рис. 64.

k Sk

где I – сила тока в электрической цепи; Sк – площадь поверхности катода.

Рис.64. Поляризация электродов при электролизе I - поляризация анода, 2 - поляризация катода

Скорость, например, анодного процесса определяется значением плотности тока iА

iА I SА

261