Химични източници на електричен ток. Първични химични източници на електрична енергия. Галванични и горивни елементи



Дата25.10.2018
Размер156.5 Kb.

Химични източници на електричен ток.

Първични химични източници на електрична енергия.

Галванични и горивни елементи.

  1. Същност

Химичните източници на ток (ХИТ) са електрохимични системи, които директно преобразуват химичната енергия в електрична (прав ток) в резултат на извършващи се процеси. В галваничния елемент се извършва спонтанна (самоволно протичаща) окислително-редукционна реакция – енергията на системата намалява. ХИТ се получава при свързване на два полуелемента (електротда) в обща електрична верига. Ако електролитите на електродите са различни, вътрешната част от ел. верига се затваря чрез солеви мост, с който се осигурява придвижване на йони между електролитите.

  1. Класификация на химичните източници на ток :

В зависимост от токообразуващите реакции, химичните източници на ток се делят на три основни групи :

- първични ХИТ или галванични елементи – в тях токообразуващите реакции протичат електрохимично необратимо и затова те се използват само еднократно.

- вторични ХИТ или акумулатори – употребяват се многократно, тъй като след определен експлоатационен период може да се възстанови тяхното първоначално състояние чрез пропускане на постоянен ток в обратна посока. В тях токообразуващите реакции са почти напълно електрохимично обратими.

- електрохимични генератори на ел. енергия или горивни елементи – по същество те са първични източници на ток, но някои конструктивни особености дават основание на редица автори да ги отделят в самостоятелна група.



  1. Галваничен елемент. Елемент на Даниел :

а) същност на галваничния елемент :

В галваничните елементи токообразуващите реакции са напълно или само частично електрохимично необратими. Това означава, че пропускането на електричен ток в обратна посока не може да върне е.х. система в първоначалното й изходно състояние.


б) елементът на Даниел е един от първите галванични елементи. Той включва цинков електрод потопен в разтвор на цинков сулфат и меден електрод потопен в разтвор на меден сулфат. Двата разтвора са свързани чрез порьозна преграда или чрез солеви мост. Двете окислително-редукционни двойки участващи в елемента на Даниел са Zn2+/Zn и Cu2+/Cu.


Отворена верига :

Затворена верига :






(1) Zn2+ +2e- Zn (2) Cu2+ + 2e- Cu

Zn → Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- → Cu

Равновесни потенциали:

Неравновесни потенциали:

<

Потенциалната разлика = ЕДН е максимална ≈ 1,1 V



Потенциалната разлика намалява – поляризация на галваничния елемент



При отворена верига : Когато цинкът се потопи в разтвор на ZnSO4, някои атоми от повърхността преминават в разтворя под форма на йони, изоставяйки своите електрони. След известно време се установява равновесие (1). Подобни процеси протичат и при потапянето на медта в разтвора на CuSO4 (2).

Потенциалът на цинка е по-отрицателен от този на медта. Това означава, че върху цинковата пластинка ще има повече некомпенсирание лектрони, от колокот върху медната. Цинковият електрод следователно е по-отрицателен от медния.


При затворена верига : Ако съединим двата електрода чрез проводник, техните заряди се изравняват, електрони преминават от цинковата пластинка към медната. Това преминаване предизвиква отместване на равновесията 1 и 2. Цинковият електрод губи електрони - равновесието (1) се измества на ляво – цинкът се разтваря и масата на електрода намалява. На против - равновесие (2) се отмества на дясно, защото медният електрод получава в повече електрони. В следствие на това медните йони (Cu2+) се приближават към електрода вземайки електрони и се отлагат в атомна форма върху металната повърхност – масата на електрода нараства.

В хода на окислително-редукционната реакция, потенциалите на двете ox-red двойки се стремят към изравняване. Поляризацията на електродите води на намаляване на напрежението между двата електрода. Реакцията ще спре, когато двата потенциала станат равни.

Като следствие от изместването на равновесия (1) и (2), се наблюдава натрупване на положителни цинкови йони Zn2+ около цинковия електрод и на отрицателни SO42- около медния електрод. По условие електрическата верига е затворена, т.е. двата разтвора са свързани чрез проводник на йони. В такъв случай сулфатните йони SO42- мигрират от медния електрод към цинковия, а цинковите йони Zn2+ в обратна посока – към медния електрод.

Обща реакция в елемента : Електроните се освобождават от цинковия електрод и се консумират от медните йони. Общата химична реакция в елемента на Даниел е една окислително-редукционна реакция представена чрез уравнението :

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu↓

Това уравнение е сума от предишните двете “полу-уравнения”.



в) схема на е.х. клетка (галваничен елемент) :

 В дясно се записва катода, а анода от ляво :

електрод -│електролит при анода ║ електролит при катода│ ­­­­­+ електрод

(анод) (катод)


Схемата на елемента на Даниел е : Zn│Zn2+ ║ Cu2+│Cu

(анод) (катод)

Двойните вертикални черти показват разделяне на двата електролита чрез електролитен мост или порьозна преграда.

г) Електродвижещо напрежение на галваничен елемент (ЕДН)

Мощността, с която реакцията на елемента произвежда и “помпа” електрони се измерва с неговото електродвижещо напрежение или ЕДН на елемента. ЕДН на елемента е напрежението (U), което съществува между неговия положителен и отрицателен полюс (неговият “волтаж”) при отворена верига.

Високо ЕДН означава, че реакцията на елемента има силна склонност да генерира ток.

Пресмятане на ЕДН на елемента на Даниел :



ЕДН
Закон на Нернст :

ЕДН зависи следователно от концентрацията на разтворите на електродите.








Ако [Cu2+] = 1 mol/l =0,34V

Ако [Zn2+] = 1 mol/l

= -0,76V

ЕДН = 0,34 - (-0,76) = 1,1V


Електродвижещото напрежение на галваничен елемент е винаги положителна величина.

Потенциалът може да бъде с положителна или с отрицателна стойност !
ЕДН може директно да се измери чрез свързване на полюсите на елемента с волтметър с високо вътрешно съпротивление (~1014Ω).

д) влияние на концентрацията върху ЕДН

ЕДН на елемента на Даниел се променя с концентрацията на йоните Cu2+ и Zn2+. Ако тези концентрации се променят от 1 mol/l до 0,01 mol/l, ЕДН приема стойности от 1,08 до 1,02 V. По-задълбочено изследване показва, че ЕДН на елемент зависи от много фактори : концентрация, рН, разтвори, температура на средата и др.



  1. Сравняване на процесите в галваничен елемент и в електролизьор :




Галваничен елемент

Електролизна клетка (електролизьор)









Галваничният елемент е генератор – реакциите, които се извършват в него доставят енергия на външната система (ЕДН>0).

Електролизьорът консумира енергия – реакциите, които се извършват в него поглъщат електрична енергия доставена от външен генератор (ЕДН<0).
Електроди : Анод или катод, положителен или отрицателен?

електрод :

поляритет в елемент

поляритет в електролизьор

процес :

реакция :

Анод

-

+

окисление

Извършва се полу-реакцията, чийто потенциал е най-отрицателен.

Катод

+

-

редукция

Извършва се полу-реакцията, чийто потенциал е най-положителен.

Поляризация :


  1. Примери за галванични елементи :

а) елемент на Волта

През 1800г. Volta реализира първия “електричен елемент” (с което въвежда понятието “елемент”), последователно подреждайки дискове Zn, шайби от кече (нетъкан текстил) напоено с оцет и дискове от Cu. Това е първото средство, което доставя електричесто в електрична верига и позволява изследването на редица ефекти свързани с него – химични, магнитни, физиологични и т.н. От тогава започва и стремежът да се открие химичен електричен генератор с все по-добри характеристики – напрежение, добивен ток, минимален обем и т.н.



б) сух мангано-цинков елемент тип Лекланше

Сухият мангано-цинков елемент на Лекланше е най-старият произвеждан елемент (от 1866г.) и до днес е най-широко разпространения представител на първичните ХИТ. В него участват две окислително-редукционни двойки : Mn4+/Mn3+ и Zn2+/Zn.

Схема : ZnNH4Cl, ZnCl2MnO2,C

Реакция : 2MnO2 + Zn + 2NH4Cl → 2MnOОH + [Zn(NH3)2]Cl2

Работно напрежение : 1,5 V, могат да се свърже в батерии от 3; 4,5; 9V

Мощност (капацитет): 0,1A.h/cm3

При разряд на сухия елемент, катодното активно вещество се редуцира до неразтворимо съединение на тривалентния манган MnOOH и до двувалентни манганови йони Mn2+, разтворими в електролита. Анодното активно вещество, металния цинк, се окислява до двувалентни цинкови йони, които са разтворими и в последствие образуват комплекси с амониевия хлорид. Ако през един изтощен сух елемент се пропусне ток в обратна посока, електрохимични реакции ще протекат все пак в обратна посока, но изходната структура на активните вещества няма да се възпроизведе напълно в първоначалния си вид. Правени са опити за регенериране на сухи елементи. Известни частични успехи са били постигнати (3-4 цикъла), но изобщо се смята, че регенерирането на първичните ХИТ е неефективно и икономически нецелесъобразно.
б) алкален елемент :

Има същата схема като сухия елемент на Лекланше, но електролитът е заменен с NaOH или КОН

Схема : ZnNaOHMnO2,C

Реакция : 2MnO2 + Zn + 2NaOH + 2H2O → 2MnOОH + Na2[Zn(OH)4]

Работно напрежение : 1,5 V, могат да се свърже в батерии от 3; 4,5; 9V

Мощност (капацитет): 0,3A.h/cm3



в) живачен елемент :

Произвежда се като миниатюрни батерии тип «копче» («бутон»).

Реакция : Zn + HgO + 2KOH + H2O → Hg + K2[Zn(OH)4]

EДН запазва постоянна стойност през целия експлоатационен живот на елемента: 1,3 V,

Мощност (капацитет): 0,4 A.h/cm3

Основен недостатък е замърсяване с живак, поради което отпадат като производство.


г) литиеви елементи :

Литият (Li) е метала с най-отрицателния потенциал и следователно ЕДН на тези елементи може да достигне 3 - 3,5V в зависимост от използвания катод – Cu, Pb, Ag. Поради голямата реакционна способност на лития не могат да се използват водни електролити. Те са заменени с органични, които са слаби проводници.




  1. Горивни елементи

Горивните елементи са устройства, в които се реализира електрохимично “горене”, чиято химична енергия се преобразува в електрична. Като гориво най-често се използва водород Н2, но има и с въглерод. Ако директно горим водород по реакцията: Н2 + 1/2О2 → Н2О, се получава само топлинна енергия. Ако разделим тази реакция на две полу-реакции, отделената енергия се получава като електрична.

- окисление на водорода (Но→Н+) : Н2 + 2ОН- +2e- → 2H2O

- редукция на кислорода (Оо → O2-): 1/2O2 + H2O – 2e- → 2OH-

Обща реакция: H2 + 1/2O2 → H2O



Горивният елемент може да работи непрекъснато, ако притока на Н2 и О2 е постоянен и се извежда получената вода, т.е. горивният елемент е истински трансформатор на химичната енергия в електрична. ЕДН е 1,23V , рабтоното напрежение е около 1 V, а мощността на такъв горивен елемент може да достига порядъка на kW.



Вторични химични източници на електрична енергия – акумулатори. Видове. Процеси при зареждане и работа.


  1. Същност на акумулаторите:

В акумулаторите токообразуващите реакции са почти напълно електрохимично обратими. При разряд те работят като галванични елементи, т.е. преобразуват химичната енергия в електрична, а при заряд – като електролизни клетки.


  1. Някои основни видове акумулатори

а) оловен акумулатор

Положителният полюс на този акумулатор е електрод от PbO2, който е под форма на паста, запресована към оловна решетка. Отрицателният полюс е от олово. Като електролит се използва воден разтвор на 25-30% сярна киселина. Общата химична реакция при работа като генератор на електрична енергия (при разряд) е : Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O

На отрицателния полюс : Pb → Pb2+ + 2e-

йоните Pb2+ се отлагат върху анода по форма на малко разтворимо съединение PbSO4.


На положителния полюс : PbO2 + 4H+ +2e- Pb2+ + 2H2O

йоните Pb2+ се отлагат върху катода под форма на PbSO4.


ЕДН на оловния акумулатор нараства с повишаване концентрацията на електролита H2SO4.

Ако киселината е 240g H2SO4 на литър електролит, неговото ЕДН е 2,0 V.


б) никел-кадмиев акумулатор

Могат да се произвеждат в различен размер и форма (най-често цилиндрична). Активните материали при заряд и разряд са неразтворими в алкалния електролит, поради което няма материален трансфер между двата електрода.



  • електролит : КОН

  • положителен електрод (Ni3+/Ni2+):

- активното вещество е NiOOH

- реакция на разряд : 2NiOOH + 2H2O + 2e- → 2Ni(OH)2 + 2OH-




  • отрицателен електрод (Cd2+/Cd)

- активното вещество е Cd

- реакция на разряд : Cd + 2OH- - 2e- → Cd(OH)2



  • обща токообразуваща реакция: Cd + 2H2O + 2NiOOH → Cd(OH)2 + Ni(OH)2

  • схема : Cd,Cd(OH)2KOHNiOOH,Ni(OH)2

  • EДН : 1,35 V (работно напрежение от 1,2V);

Основното им предимство се стабилните характеристики при разряд, изключително дълъг живот (цикли на заряд/разряд) и ниска цена.

Основен недостатък – замърсяват околната среда с Cd. Това се избягва с въвеждането на NiMH (никел-металхидридните) акумулатори.



в) Ni-Metal Hydride акумулатори

Първите успешни опити са реализирани 1984г. от Willems, произвеждат си от 1990г.



  • електролит : КОН

  • положителен електрод (Ni3+/Ni2+):

- активното вещество е NiOOH

- реакция на разряд : NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-



  • отрицателен електрод :

- активно вещество е AB5 метал-хидридни сплави, които образуват хидрид чрез абсорбция на водород, който е получен от електролиза на вода. AB5 са интерметални съединения с хексагонална кристална решетка : LaNi5 , Ti-Zr-Ni, Zn-Mn-Ni

- реакция на разряд : MH + xH2O + xe- → MHx + xOH-



  • EДН : 1,35 V (работно напрежение от 1,2V);

За да не се повишава налягането в батерията от Н2 и О2 трябва точни пропорции и дозиране на активните маси.

Схема: MHKOHNiOOH

Основните положителни качества на тези акумулатори са по-високия ток с около 30-50% в сравнение с никел-кадмиевите и това че те не са токсични.

г) Li-Ion (литиево - йонни) акумулатори


  • електролит : литиева сол LiPF6 разтворена в смес от органични разтворители (напр. пропилен карбонат и етилен карбонат)

  • положителен електрод :

- активното вещество е Li1-xMO2 – литинирано съединение на преходен метал (M=Co, Ni, Mn)

- реакция на разряд : Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- → LiCoO2



  • отрицателен електрод :

- активно вещество е LixC6 - литиниран въглерод (х=0,5 за Со и Ni и 0,85 за Mn)

- реакция на разряд : LixC6 - xe- → xLi+ + C



  • обща токообразуваща реакция: LixC6 + Li1-xCoO2 → C + LiCoO2

  • EДН : 3,6 V .

Li-Ion акумулаторите демонстрират много добър живот (брой цикли) и висока вътрешна сигурност.
Каталог: Home -> Emo -> СЕМЕСТЪР%201 -> материали%20химия -> Химия%203
Химия%203 -> Същност и разпределение на металите в периодичната система на елементите
Химия%203 -> Защитни свойства на металните покрития. Електрохимично отлагане на метали
Химия%203 -> Електрохимични системи. Поляризационни явления. Електролиза. Реакции, протичащи в електрохимичните системи
Химия%203 -> Методи за защита на металите от корозия. Методи за получаване на метални покрития Същност на защитата от корозия
Химия%203 -> Корозия на металите
Химия%203 -> Химична връзка Основни характеристики на ковалентната и йонна химична връзка. Метод на молекулните орбитали. Свързано състояние на два атома
материали%20химия -> Трите най-прости химични връзки
Химия%203 -> Електрохимия. Електродвижещо напрежение. Електроден потенциал Същност на науката “електрохимия”
Химия%203 -> Решение на уравнението на Шрьодингер, което зависи от пространствените координати X,Y,z масовото число е? сума от броя на протоните и неутроните


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница