Химические источники электрического тока. Гальванические элементы

Химические источники электрического тока или гальванические элементы преобразуют энергию, выделяющуюся при протекании окислительно-восстановительных реакций, в электрическую энергию. Гальванические элементы служат источниками постоянного тока.

Простейший гальванический элемент можно составить из двух металлических электродов, имеющих различные электродные потенциалы и соединенных в замкнутую цепь.

На электроде, который имеет меньшее значение электродного потенциала, будет происходить процесс окисления. Такой электрод называется иначе анодом.

На электроде, который имеет большее значение электродного потенциала, будет происходить процесс восстановления. Такой электрод называется иначе катодом.

Рассмотрим более подробно принцип работы гальванических элементов на примере элемента, составленного из цинкового и медного электродов. Такой элемент называется иначе элементом Якоби-Даниэля (рис. 20).

Рис. 20. Схема медно-цинкового гальванического элемента

Каждый электрод состоит из металлической пластинки, опущенной в раствор соли: ZnSO₄ и CuSO₄, соответственно.

Растворы солей отделены друг от друга пористой перегородкой, сквозь которую легко могут проходить ионы металлов и SO₄^2-. Часто вместо пористой перегородки используют «солевой мостик» – стеклянную изогнутую трубку, заполненную насыщенным раствором KCl или NH₄NO₃. В этом случае электроды не контактируют друг с другом, каждый из них находиться в отдельном сосуде, которые соединяются с помощью солевого мостика.

При этом на цинковом электроде происходит процесс окисления:

Zn⁰ – 2ē = Zn²⁺,

в результате которого ионы цинка с пластинки переходят в раствор. Избыточные электроны по металлическому проводнику с цинковой пластинки переходят на медную и восстанавливают содержащиеся в растворе ионы Cu²⁺

Cu²⁺ + 2ē = Cu⁰,

которые в виде нейтральных атомов оседают на пластинке. Остающиеся свободные сульфат-ионы медного электрода и появившиеся в избытке ионы Zn²⁺ цинкового электрода через пористую перегородку или солевой мостик перемещаются навстречу друг другу. Таким образом, в цепи осуществляется перенос электрических зарядов и возникает электрический ток.

В этом элементе электрическая энергия получается в результате протекания химической реакции

Zn + CuSO₄ = Cu + ZnSO₄

Основной характеристикой гальванического элемента является электродвижущая сила (э.д.с.), от которой зависит сила тока в цепи. Она равна разности электродных потенциалов

э.д.с. = Е₂ – Е₁

где Е₁ и Е₂ – соответственно, потенциал анода и катода.

Для гальванического элемента Якоби-Даниэля электродвижущая сила равна

э.д.с. = Е_Cu – E_Zn

Чем выше значение э.д.с. элемента, тем больше сила тока в его цепи.

Коррозия металлов

Коррозия – это самопроизвольный процесс окисления металлов вследствие их взаимодействия с окружающей средой.

Общая масса металлических материалов, используемых в виде различных изделий во всем мире, очень велика. Поэтому, несмотря на то, что обычно скорость коррозии мала, ежегодно из-за нее теряются огромные количества металлов. Но еще больший вред связан не с потерей металлов, а с порчей изготовленных из них изделий. Затраты на ремонт или на замену деталей судов, автомобилей, самолетов, аппаратуры химических производств, приборов могут достигать значительных величин. Весьма существенными бывают и косвенные потери, вызванные коррозией. К ним можно отнести утечку нефти, газа, ядовитых химических веществ из подвергшихся коррозии трубопроводов, цистерн, химических реакторов. В результате наносится значительный ущерб окружающей среде, здоровью и даже самой жизни людей.

Поэтому на защиту от коррозии тратятся большие средства.

Различают 2 вида коррозии – химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия обусловлена взаимодействием металлов с веществами, содержащимися в окружающей среде. Чаще всего это различные газы: O₂, SO₂, NO₂, CO₂, H₂S, NH₃ и т.д. Такая разновидность химической коррозии называется газовой. Значительно реже химическая коррозия может быть вызвана взаимодействием металлов с различными органическими жидкостями, которые не проводят электрический ток.

Основной вклад в газовую коррозию металлов вносит кислород воздуха.

Коррозия в газах происходит при повышенной температуре, когда конденсация влаги на поверхности изделия из металла невозможна.

Газовой коррозии подвергаются детали двигателей внутреннего сгорания, лопасти газовых турбин, стенки аппаратуры химических производств, арматура печей, изделия, подвергаемые термической обработке.

В результате газовой коррозии на поверхности металла образуются соответствующие соединения: оксиды, сульфиды и др.

2Fe + 2H₂S + O₂ 2FeS + 2H₂O

4Fe + 3O₂ 2Fe₂O₃

При изготовлении изделий, подвергающихся действию коррозионно-активных газов, используют жаростойкие сплавы, для чего в их состав вводят хром, кремний, алюминий, никель или кобальт. Защита от газовой коррозии осуществляется, кроме того, насыщением в горячем состоянии поверхности изделия некоторыми металлами, обладающими защитным действием. К таким металлам принадлежат алюминий и хром. Защитное действие этих металлов обусловлено образованием ими на поверхности весьма тонкой, но прочной оксидной пленки, препятствующей взаимодействию металла с окружающей средой.

К электрохимической коррозии относятся все случаи коррозии в водных растворах, влажной атмосфере. Ей подвергаются, например, подводные части судов, паровые котлы, проложенные в земле трубопроводы и т.д.

Электрохимическая коррозия обусловлена наличием в металле примесей других металлов и некоторых неметаллов (углерода, бора, кремния). При соприкосновении таких металлов с водой, содержащей растворенные вещества, на их поверхности возникает множество микрогальванических элементов.

В этих элементах атомы более активного металла играют роль анода, а атомы менее активного металла – роль катода.

На катоде обычно идет процесс восстановления растворенных в Н₂О молекул О₂:

О₂ + 2Н₂О + 4ē = 4ОН^–

Если водная среда кислая, то восстанавливаются ионы Н⁺

2Н⁺ + 2ē = Н₂↑

На аноде происходит окисление атомов металла, из которых он состоит:

Me⁰ – nē = Meⁿ⁺

Образовавшиеся ионы Meⁿ⁺ переходят в раствор и соединяются с ионами ОН^–, образуя гидроксид Me(OH)_n или соли (в кислой среде).

Если в роли анода выступает основной металл, то происходит быстрое разрушение изделия (рис. 21).

Рис. 21. Схема электрохимической коррозии цинка (содержащего примеси меди) в кислой среде

Скорость электрохимической коррозии тем больше, чем дальше друг от друга в ряду напряжений расположены металлы, образующие микрогальванический элемент.

Чистые металлы гораздо более устойчивы к электрохимической коррозии, чем содержащие примеси.

Одним из способов защиты от электрохимической коррозии является нанесение на поверхность металла металлических и неметаллических покрытий.

В качестве металлических покрытий используются пленки Au, Ag, Ni, Cr, Zn и других металлов, которые мало подвергаются коррозии из-за своей химической инертности (благородные металлы) или за счет образования на воздухе тонких и прочных оксидных пленок.

Если покрытие изготовлено из более активного металла, то оно называется анодным. Такое покрытие защищает основной металл, даже если на его поверхности образуются трещины, т.к. разрушаться в процессе коррозии будет именно оно. Примером анодных покрытий для изделий из железа являются пленки из цинка, хрома.

Если покрытие изготовлено из менее активного металла, то оно называется катодным. Катодное покрытие защищает основной металл только когда оно целостное. При образовании трещин, царапин возникает гальванический элемент, в котором защищаемый металл играет роль анода и начинает разрушаться.

Примером катодного покрытия для изделий из железа являются пленки из олова, свинца.

Неметаллические покрытия образованы органическими (лаки, краски, пластмассы) или неорганическими (эмали) веществами, стойкими к воздействию окружающей среды.

Для предохранения металлов от коррозии используется электрохимическая или катодная защита, когда изделие соединяется с катодом внешнего источника постоянного тока и само выступает вследствие этого в роли катода. К аноду присоединяется вспомогательный кусок металла, который и разрушается в процессе коррозии.

Разновидностью катодной защиты является так называемая протекторная защита. В этом случае защищаемое изделие соединяется проводником с протектором – пластиной из более активного металла, выступающей в роли анода и разрушающейся в процессе коррозии.

И протекторная, и катодная защита применимы в средах, хорошо проводящих электрический ток, например, в морской воде. В частности, протекторы широко применяются для защиты подводной части корпуса морских судов.