Химические источники электрического тока

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Это устройство из 2 электродов, в котором энергия химических реакций преобразуется в электрическую, т.е. является источником постоянного электрического тока.

Построен на основе ОВР.

Состоит из 2 полуэлементов:

Ø  анод, погруженный в раствор восстановителя, заряжается отрицательно

Ø  катод, погруженный в раствор окислителя, заряжается положительно

Полуэлементы соединены сольватным мостиком («ключом»), содержащим в растворе ионы, не изменяющие степень окисления.

При записи схем гальванических элементов обычно слева записывают электрод с более отрицательным значением Е⁰, а справа – с более положительным. Если в состав электрохимической цепи входит водородный электрод, то его записывают вначале.

Например:

1) Стандартные электроды – цинковый и никелевый (пластинки Zn и Ni  погружены в 1М растворы ZnSO₄ и NiSO₄ соответственно).

Схема элемента: Zn | ZnSO₄ || NiSO₄ | Ni

E⁰(Zn²⁺|Zn) = - 0,76 В;  E⁰(Ni²⁺|Ni) = - 0,25 В

E⁰(Zn²⁺|Zn) < E⁰(Ni²⁺|Ni), значит, Zn отдает электроны, т.е. окисляется, легче, чем Ni.

При замыкании электрохимической цепи:

  на цинковом электроде (аноде) происходит окисление металла:

Zn – 2e^- = Zn²⁺, ионы переходят в раствор, а электроны остаются в металле и по проводнику переходят на никель (возникает электрический ток);

  на никелевом электроде (катоде) происходит восстановление ионов металла за счет полученных от цинка электронов:

Ni²⁺ + 2e^- = Ni

Эти процессы происходят до тех пор, пока весь Zn не растворится или не израсходуются частицы, которые могут восстанавливаться на Ni.

Суммарная реакция:

Zn + Ni²⁺ = Zn²⁺ + Ni

Zn + NiSO₄ = ZnSO₄ + Ni

Основная характеристика гальванического элемента – его ЭДС – разность Е⁰ в исходный момент работы элемента (из большего вычитается меньшее):

Е = Е⁰(Ni²⁺|Ni) - E⁰(Zn²⁺|Zn) = - 0,25 В – (- 0,76 В) = 0,51 В

При последовательном соединении гальванических элементов можно получить батарею с необходимой величиной ЭДС.

2) Гальванический элемент Даниэля – Якоби – состоит из стандартных цинкового и медного электродов:

Zn | 1M ZnSO₄ || 1M CuSO₄ | Cu

3) Анод погружен в раствор KI, катод – в раствор FeCl₃, в «ключе» - раствор KCl, электроды платиновые.

В  анодном полуэлементе происходит окисление:

2I^- - 2e^- = I₂⁰  (Качественная реакция – окрашивание крахмала).

Электроны идут к аноду, анод заряжается отрицательно (в отличие от процесса электролиза).

В катодном полуэлементе происходит восстановление, катод отдает электроны окислителю, а сам заряжается положительно:

Fe³⁺ + 1e^- = Fe²⁺  (Качественная реакция – с гексацианоферратом (3) калия).

От анода электроны движутся к катоду: в цепи возникает электрический ток.

Суммарная реакция:

2I^- + 2Fe³⁺ = I₂⁰ + 2Fe²⁺

2KI + 2FeCl₃ = I₂ + 2FeCl₂ + 2KCl

Таким образом, всякая окислительно-восстановительная реакция может служить источником электрического тока, если она протекает в гальваническом элементе.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Разновидность гальванических элементов, в которых электрическая энергия образуется за счет реакции окисления топлива (например, водорода). Окислитель и восстановитель (топливо) непрерывно подаются в систему извне.

Водородно-кислородные топливные элементы. Никелевые электроды погружены в раствор КОН, к ним постоянно подаются О₂ и Н₂.

Схема элемента: Ni | H₂ | KOH | O₂ | Ni

При работе элемента Н₂ окисляется, а О₂ восстанавливается при участии молекул Н₂О с образованием ОН^—ионов:

Н₂ – 2е^- = 2Н⁺

О₂ + 2Н₂О + 4е^- = 4ОН^-

Суммарный процесс, протекающий при работе топливного элемента, представляет собой реакцию горения водорода:

2Н₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Н⁺ + 4ОН^-    или 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Топливные элементы высокоэффективны, но существенный их недостаток – неудобство транспортировки и хранения топлива (особенно Н₂). Однако они широко применяются.

АККУМУЛЯТОРЫ

Это гальванические элементы многоразового использования.

Свинцовый аккумулятор состоит из погруженных в раствор H₂SO₄  свинцового электрода и электрода из Pb, покрытого слоем PbO₂ (окислителем).

На электроде без покрытия происходит окисление:

Pb + SO₄^2- - 2e^- = PbSO₄

На электроде, покрытом окислителем, протекает восстановление:

PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e^- = PbSO₄ + 2H₂O

Суммарная реакция:

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O

Пропуская электрический ток через отработанный (разряженный) аккумулятор, можно его снова полностью регенерировать (зарядить). Процесс зарядки состоит из следующих реакций:

PbSO₄ + 2e^- = Pb + SO₄^2-

PbSO₄ + 2H₂O – 2e^- = PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2-

-------------------------------------------------------

2PbSO₄ + 2H₂O = Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄

В результате зарядки аккумулятора PbSO₄ удаляется с электродов, и они приобретают исходную форму.

Список литературы

1. Ахметов Н.С.  Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1981
2. Габриелян О.С.  Химия 8 класс. – М.: Дрофа, 2001
3. Журин А.А., Гончарук О.Ю.  Химия. Вопросы и ответы на экзамене. – М.: Лист, 1998
4. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л.  Химия. Для школьников старших классов и поступающих в вузы. – М.: Дрофа, 2002
5. Петров М.М., Михилев Л.А., Кукушкин Ю.Н.  Неорганическая химия: учебное пособие для техникумов./Под ред. Ю.Н.Кукушкина. – Л.: Химия, 1981
6. Слесарев В.Н. и др.  Тренажёр по химии для абитуриентов и студентов. – СПб.: Химиздат, 2003
7. Тетрадь
8. Химия. Шпаргалка. Диск.
9. Химия: Большой справочник для школьников и поступающих в вузы / Е.А. Алфёрова, Н.С.Ахметов, Н.В.Богомолова и др. – М.: Дрофа, 1999
10. Ходаков Ю.В.б Эпштейн Д.А., Глориозов П.А.  Неорганическая химия. Учебник для 9 класса. – М.: Просвещение, 1982
11. Хомченко Г.П.  Химия для поступающих в вузы.
12. Хомченко И.Г.  Общая химия. – М.: Новая волна, 1997