Концентрационные элементы
Гальванический элемент может быть составлен не только из электродов, состоящих из разных металлов, но и из электродов одного металла, погруженных в растворы одного и того же электролита, но с различной концентрацией (активностью) ионов. Такой гальванический элемент называется концентрационным. Поскольку ЭДС обусловлена только разностью концентраций ионов металла в растворах.
Составим гальванический элемент из двух серебряных пластинок, погруженных в растворы нитрата серебра разных концентраций С1 и С2.
А (-) Аg | АgNО3 || АgNO3 | Аg (+) К
С1 < С2
ЭДС такого элемента может быть определена по формуле:
∆Е = (0,059 / z) lg C2 / C1 (8)
При работе этого элемента протекают следующие процессы:
А (-) Ag 0 – ē Ag + окисление
К (+) Ag + + ē Ag 0 восстановление
Таким образом, концентрация первого раствора С1 будет постепенно увеличиваться, а второго раствора С2 уменьшаться. По уравнению (8) ЭДС будет уменьшаться. Через некоторое время концентрации С1 и С2 станут одинаковыми, а ЭДС - равной нулю.
Промышленные источники тока
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. Сухой элемент («электрическая батарейка») широко используется для питания радиоприемников, фонарей, наручных часов и т. д. Его удобство состоит в том, что все составные части - твердые или пастообразные вещества. Схема сухого элемента представлена на рис. 3.
Рис.3. Схема сухого элемента. |
Анодом в сухом элементе служит цинковая оболочка 1, а катодом - графитовый стержень 2, погруженный в смесь оксида марганца (IV) и угольной крошки 3. Электролитом служит пастообразная смесь хлоридов аммония и цинка 4. При работе 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)
ЭДС сухого элемента составляет 1,25-1,50 В.
Аккумуляторы. Описанные выше источники тока, которые после разрядки или израсходования одного из веществ, нельзя использовать повторно, называются первичными элементами. Аккумуляторы называются вторич- ными элементами т. к. могут эксплуатироваться в течение длительного времени благодаря возможности перезарядки, в ходе которой происходит регенерация реагентов. Рассмотрим работу таких источников тока на примере свинцового аккумулятора.
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. 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 постоян- ного тока и проводят процесс электролиза (с которым вы познакомитесь на последующих занятиях). При этом 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 концентрация серной кислоты увеличивается, а пластины приходят в исходное состояние, после чего может производиться разряд аккумулятора.
Топливный элемент. В топливном элементе протекает реакция окисления топлива или продуктов его переработки (водорода, оксида углерода, водяного газа и др.) кислородом. Выделяющаяся энергия непосредственно превращается в постоянный электрический ток. Коэффициент использования топлива составляет свыше 80%, в то время как обычные теплосиловые установки, используемые для получения электроэнергии, характеризуются коэффициентами 30-35%.
Рассмотрим в качестве примера водородно-кислородный элемент, схема которого приведена на рис. 4. 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. На электродах протекают следующие процессы:
Рис.4. Схема топливного элемента. |
А (-) 2Н2 ( г) + 4ОН -(водн) - 4ē 4Н2О (ж) 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.