5.4. Электролиз. Аккумуляторы, химические источники тока

В разделе 5.2.1 уже рассмотрено, что ЭДС гальванических элементов по ходу их работы падает и при достижении равновесия становится равным 0. Такие одноразовые химические источники тока (ХИТ) называют первичными гальваническими элементами. Для возобновления их работы требуется добавить реагенты / убрать продукты реакции, возобновить, если требуется, материал самих электродов. Некоторые конструкции используемых гальванических элементов приведены на рис. 5.3.

Однако давно создан и широко применяется другой тип химических источников тока – аккумуляторы. Заметим, что знакомые всем батарейки – это и есть разновидность гальванических элементов, а аккумуляторы всевозможных типов и размеров – гальванические элементы с возможностью их многоразового использования, т. е. проведения циклов разрядка  зарядка. С точки зрения химии, разрядка – самопроизвольное протекание ОВР, химическая энергия которой преобразуется в полезную работу устройства, которое работает от аккумулятора; зарядка – принудительное проведение за счёт электрической энергии от электросети обратной ОВР (электролиза), и запасание таким образом химической энергии для новой разрядки.

В таком случае, полуреакция восстановления протекает на катоде, а полуреакция окисления на аноде, и называются они электродными процессами. В результате протекания ОВР в электрической цепи гальванического элемента возникает разность потенциалов, и, следовательно, при замыкании цепи течёт электрический ток. Способов преобразования энергии электрического тока в полезную работу известно много, что даёт возможность использовать гальванические элементы (точнее, принцип их работы) в качестве источников тока для различных устройств.

Е

Рис. 5.4. Схема устройства распространённых гальванических элементов: марганец-цинковый и водородно-никелевый

щё один тип ХИТов – топливные элементы, в которых происходит непрерывная подача окислителя и восстановителя в рабочие пространства электродов, и таким образом обеспечивается непрерывное поддержание необходимой величины ЭДС. В последние 20-25 лет идёт интенсивная исследовательская и технологическая работа по созданию экономичных и экологичных водородных топливных элементов. В водородном элементе (рис. 5.4) на катоде восстанавливается кислород

О₂ + 4е + 4Н⁺ = 2Н₂О;

На аноде окисляется водород

2Н₂ – 4е = 4Н⁺.

Рис. 5.5. Схема устройства водородного топливного элемента

Однако широкого распространения такие ХИТы пока не получили – в том числе и по причине отсутствия в природе сколько-нибудь значительных количеств свободного водорода(0).

Вопросы для самопроверки

1. Запишите уравнение ОВР, протекающей в водородном топливном элементе.

5.5. Заключение

ОВР – процессы с переносом электронов от восстановителя к окислителю; как в кислотно-основных процессах всегда присутствуют две сопряжённых кислотно-основных пары, так и в ОВР имеются две сопряжённых ОВ-пары. Пространственное разделение полуреакций окисления и восстановления позволяет преобразовывать химическую энергию ОВР непосредственно в электрическую в гальванических элементах: на катоде (с большим потенциалом) присходит восстановление окислителя, на аноде (с меньшим потенциалом) окисление восстановителя; Δ_rЕ = E_катод– E_анод.

1 Полезное мнемоническое правило: слова взять (электроны) и восстановиться – начинаются с одной буквы, как и отдать – окислиться.

1 В некоторых источниках – копропорционирования.

1 Возможно и образование SO₂.

1 Другое название – электролитический ключ.

1 Напомним, что стандартные состояния растворённых веществ – в виде идеального раствора при концентрации 1 моль/л, газов – в виде идеального газа при парциальном давлении 1 атм.

1 Принято записывать любые полуреакции в катодной форме, т. е.:

Cu²⁺ + 2e = Cu, E(Cu²⁺/Cu) = 0,34 В; Zn²⁺ + 2e = Zn, E(Zn²⁺/Zn) = –0,76 В. Для реакции Cu²⁺ + Zn = Cu + Zn²⁺ Δ_rЕ = Е_Ox – Е_Red = 0,34 – (–0,76) = 1,10 В.

2 (8,31298ln10)/96 500) = 0,059.

1 Водородным, потому что электродный процесс – это восстановление (или окисление, в зависимости от второго участника ОВР) водорода, независимо от того, каков материал электрода: платина, стекло или иной. Соответственно, электрод, на котором происходит восстановление кислорода О₂ +4е + 4Н⁺ = 2Н₂О называется кислородным, и т. п.

1 Подчеркнём – именно Δ_rG! Если Δ_rG < 0, то разрешена реакция для стандартных состояний всех участников реакции.

195