Концентрационные гальванические элементы

Поскольку электродный потенциал металла зависит от концентрации ионов металлов в растворе, можно составить концентрационные гальванические элементы.

При этом пластина металла, погруженного в более разбавленный раствор соли, будет обладать более низким потенциалом и выполнять роль анода. Пластина, погруженная в более концентрированный раствор, выступает в роли катода.

Например: рассчитать ЭДС концентрационного гальванического элемента:

A(-) Ni / NiCl₂ // NiCl₂ / Ni K(+)

0,00001М 1М

Рассчитаем потенциал никелевой пластины, погруженной в 0,00001М раствор хлорида никеля по уравнению Нернста:

e_Ni/Ni²⁺ = e◦ + ∙ lg [ Ni²⁺ ] = - 0,25 + ∙lg10^-5 =

-0,25 +0,029∙(-5) = -0,25+(-0,145) = -0,395B = -0,39B.

Потенциал никелевой пластины, погруженной в 1М раствор соли, равен стандартному электродному потенциалу никеля.

Следовательно ЭДС = е_к –е_а = -0,85 – (-0,39) = 0,14В.

Процессы, протекающие на электродах,

A(-) Ni – 2e Ni²⁺

K(+) Ni²⁺ + 2e Ni⁰.

6.3. Аккумуляторы

Аккумуляторы относятся к вторичным источникам электрической энергии, работоспособность которых после разряда может быть восстановлена, т.е. в аккумуляторах используется обратимость токообразующей окислительно-восстановительной реакции.

Например, схема свинцового кислотного аккумулятора имеет вид

Рb / Н₂SO₄ / PbO_2.

Раствор H₂SO₄ имеет концентрацию 33-40% (плотность 1,25…1,30). Токообразующая реакция выражается уравнением

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ 2PbSO₄ +2H₂O,

которое получили суммированием катодного и анодного процессов в режимах «разряд» и «заряд». В режиме «разряд» аккумулятор работает как гальванический элемент.

А(-) Pb + HSO - 2е PbSO₄ + H⁺

K(+) PbO₂ + HSO+ 3H⁺+ 2е PbSO₄ +2H₂O.

В режиме «заряд» под действием внешнего источника тока обеспечивается обратное разряду направление перемещения электронов. На катоде

PbSO₄ +H⁺ + 2e Pb + HSO(восстановление).

Значит электрод Pb / PbSO₄ выполняет при зарядке функцию катода, а электрод PbSO₄ / PbO₂ – функцию анода:

PbSO₄ + 2H₂O PbO₂ + HSO + 3H⁺ + 2e (окисление).

ЭДС свинцового аккумулятора составляет 2В. Т.к. в электродных процессах участвует серная кислота, то Э.Д.С. существенно зависит от концентрации кислоты в растворе. При разрядке H₂SO₄ расходуется, поэтому о степени разряда аккумулятора судят по концентрации электролита, измеряя его плотность.

Кроме кислотных аккумуляторов, используются и щелочные аккумуляторы, но они имеют малую ЭДС (1,3…1,4В). Основное их преимущество в лучшей сохранности в перерывах, в работе и большем сроке службы. Они используются для питания электрокаров, погрузчиков, различных электровозов.

Большинство аккумуляторов допускает проведение большого числа циклов «заряд-разряд», т.к. в режиме «заряд» в аккумуляторе (в виде химической энергии) накапливается энергия внешнего источника, в режиме «разряд» они возвращаются потребителю.

6.4. Электролиз

Электролизом называется совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока через систему, состоящую из двух электродов и расплава или раствора электролита. Во время электролиза положительно заряженные ионы перемещаются к катоду, который соединяется с отрицательным полюсом внешнего источника постоянного тока, а отрицательно заряженные ионы перемещаются к аноду, который соединяется с положительным полюсом источника постоянного тока. На поверхности катода идет процесс восстановления, на аноде – окисления.