Вопросы и задания к разделу «Щелочные аккумуляторы»

1. Какие процессы протекают при зарядке НЖ аккумулятора? Записать электродные реакции, указать полярность, суммарную реакцию.

2. Составьте условную запись НК аккумулятора. Предварительно определив полярность, запишите электродные реакции при разрядке и зарядке. Рассчитайте ЭДС элемента, учитывая концентрацию электролита 40% (табл. 4 Приложения).

3. Основываясь на концентрации электролита в предыдущей задаче, рассчитайте, сколько нужно взять КОН, чтобы залить электролит в аккумулятор, состоящий из двух ячеек по 0,75 л каждая.

4. Рассчитав ЭДС НК и НЖ аккумуляторов, сравните, какой элемент выгоднее.

5. В конструкциях аккумуляторов предусмотрено наличие вентиляционных отверстий для выхода газов. При их засорении возможен взрыв «гремучего газа» по реакции: 2Н₂+О₂=2Н₂О. Рассмотрите возможность образования компонентов газа и его взрыва на примере щелочного аккумулятора; составьте соответствующие реакции.

6. Какой из аккумуляторов – серебряно-цинковый или никель-кадмиевый – более безопасен в эксплуатации и почему? Ответ дать на основе соответствующих электродных реакций.

Кислотные аккумуляторы

Наиболее распространённым в настоящее время из кислотных аккумуляторов является свинцовый аккумулятор, где в качестве электролита используется раствор серной кислоты. Отрицательным электродом служит губчатый свинец Pb, положительным – двуокись свинца PbO₂. Условная запись этого элемента:

А (–) Pb / H₂SO₄ / PbO₂ (+) К

Процесс на аноде: Pb + SO₄^2- – 2e = PbSO₄;

Процесс на катоде: PbO₂ + SO₄^2– + 4 H⁺ + 2e = PbSO₄ + 2H₂O;

Суммарная реакция: Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ = 2 PbSO₄  + 2H₂O.

Таким образом, при разрядке свинцового аккумулятора расходуется серная кислота, и на обоих электродах образуется плотный слой нерастворимого сульфата свинца. В процессе работы аккумулятора как источника тока плотность электролита падает, так как образующаяся вода разбавляет серную кислоту.

При зарядке через аккумулятор пропускают постоянный ток, то есть проводят электролиз. Схематически после разряда элемент можно изобразить как: PbSO₄/H₂SO₄/PbSO₄, то есть электроды у него неразличимы. Когда электрический ток проводится от внешнего источника, отрицательный полюс становится катодом, положительный – анодом, так как к отрицательному полюсу направляются катионы, к положительному – анионы. Происходящие при этом электродные процессы прямо противоположны процессам разрядки.

Пример. Рассчитать ЭДС свинцового аккумулятора, если в качестве электролита используется 40%-ый раствор хлорной кислоты HClO₄.

Порядок расчёта. Пересчитаем значение электродных потенциалов катода и анода в зависимости от концентрации по уравнению Нернста. Для этого дополнительно пересчитаем процентную концентрацию в молярную. Молярная масса хлорной кислоты М = 1 + 35,5 + + 16*4 = 100,5 г/моль. По таблице 4 плотность 40%-го раствора равна 1,299 г/см³. Значит, согласно формуле =m/V, 1 л 40%-го раствора кислоты будет весить 1299 г. Составляем пропорцию: 100 г раствора содержат 40 г кислоты, 1299 г раствора содержит х г кислоты. Отсюда х = (1299*40) / 100 = 517,6 г. Данная масса составляет  = 517,6 г : 100,5 г/моль = 5,17 моль HClO₄ (на 1 л раствора). Следовательно, молярная концентрация раствора хлорной кислоты составит 5,17 моль/л.

По уравнению Нернста рассчитаем электродные потенциалы.

 _(Pb/Pb²⁺₎ = – 0.126 + (0.059/2)lg 5.17 = – 0.106 B.

 _(PbO2/Pb) = 1.455 + (0.059/2)lg 5.17 = 1.485 B.

ЭДС элемента: Е = 1,485 – (– 0,106) = 1,59 В.