" химические источники тока. Электролиз физическая химия. Лекция 13." Транскрипт

Химические источники электрической энергии

4,88из 5

Содержание

1. 
   Химические источники электрической энергии
   
2. 
   Электродвижущая сила и напряжение при разряде
   
3. 
   Внутреннее сопротивление ХИЭЭ
   
4. 
   Емкость и энергия ХИЭЭ
   
5. 
   Саморазряд и сохранность ХИЭЭ
   
6. 
   Выбор электрохимических систем для ХИЭЭ
   

Химические источники электрической энергии

Химическими источниками электрической энергии это устройства, превращающие химическую энергию какой-либо реакции в электрическую. Для такого превращения необходимо, чтобы процессы, связанные с изменением зарядов у электродов (т. е. окислительный и восстановительный процессы), были разделены пространственно, и электроны проходили через внешнюю цепь.
Примером подобного устройства может служить медно-цинковый источник электрической энергии, предложенный Даниелем и Якоби в 1836 г. Медь, погруженная в раствор медного купороса, отделена диафрагмой от цинка, погруженного в раствор цинкового купороса:
Cu|CuSО₄| |ZnSО₄| Zn
При работе элемента цинк переходит в раствор, отдавая электроны: Zn → Zn²⁺ + 2e. Электроны по внешней цепи проходят к меди, на медном электроде из раствора выделяется медь: Cu²⁺ + 2e → Сu. Поток электронов, т. е. электрический ток во внешней цепи, может быть использован для работы, что и является целью применения ХИЭЭ. На цинковом электроде происходит реакция окисления, а на медном — реакция восстановления. Цинковый электрод несет отрицательный заряд, а медь — положительный. Химическая реакция, протекающая в медно-цинковом элементе, может быть записана следующим образом:
CuSO₄ + Zn → ZnSO₄ + Cu
В электротехнике условно принято считать направление электрического тока обратным направлению движения электронов во внешней цепи (рис 2, а). Анодом служит электрод, на котором идет окислительный процесс, катодом — электрод, на котором идет восстановление.
Для регенерации активных веществ можно после работы медно-цинкового элемента подвести к нему ток от внешнего источника электрической энергии. Направления движения ионов и электронов станут обратными (рис. 2,6). Следует отметить, что хотя окислительный и восстановительный процессы поменяются местами, знак заряда электродов сохранится (медь — плюс; цинк — минус).

Если бы мы не разделяли процессы на электродах пространственно, а, например, опустили палочку цинка в раствор медного купороса, то реакция все равно бы прошла, но химическая энергия процесса превратилась бы не в электрическую, а в тепловую и была бы истрачена на нагрев раствора. Количество тепла, которое выделяется при реакции, и количество электрической энергии, которое может быть от нее получено при пространственном разделении окислительного и восстановительного процессов, связаны между собой уравнением Гиббса —Гельмгольца.
Рис. 2. Схема движения ионов и электронов при работе медно цинкового элемента.
При работе элемента Даниеля — Якоби количество энергии, переходящей в электрическую, меньше величины теплового эффекта реакции. Элемент разогревается, и часть энергии теряется. Температурный коэффициент элемента Даниеля — Якоби равен —3,59 • 10^-4 в/град. Тепловой эффект реакции
Zn + CuSО₄ → ZnSО₄ + Cu
равен ∆Н = —55 189 кал.
Известны элементы, у которых температурный коэффициент положителен, при работе они охлаждаются и поглощают тепло из внешней среды. Получаемое в них количество электрической энергии больше, чем соответствует расчету по формуле Томсона.
Химические источники электрической энергии бывают одноразового и многократного действия. ХИЭЭ одноразового использования называются первичными элементами, а многократного действия вторичными элементами или аккумуляторами. Иногда первичные элементы называют просто «элементами» или «гальваническими элементами». Аккумуляторами могут служить только такие химические источники электрической энергии, основные процессы в которых протекают обратимо.
Вещества, израсходованные в процессе протекания реакции, дающей электрическую энергию, должны регенерироваться при пропускании через разряженный аккумулятор электрического тока от постороннего источника электрической энергии. Направление тока внутри аккумулятора при заряде будет обратным имевшемуся при разряде, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется реакцией восстановления, а на положительном электроде реакция восстановления заменяется реакцией окисления. Таким образом, в аккумуляторах запас химической энергии, истраченной на получение электрической энергии при разряде, возобновляется при заряде.
Так как напряжение одного отдельного первичного элемента или аккумулятора очень невелико— они в большинстве случаев применяются последовательно соединенными по несколько штук. В таком виде ХИЭЭ называют «батареей».

Электродвижущая сила и напряжение при разряде

Основной характеристикой химических источников электроэнергии является их электродвижущая сила, т. е. разность потенциалов электродов, измеренная при отсутствии тока во внешней цепи.
Для практики более важной величиной, чем э. д. с, является напряжение химического источника электрической энергии при замкнутой внешней цепи.
Напряжение при разряде меньше э. д. с. по двум причинам: во первых, потенциалы электродов при отборе тока .от ХИЭЭ заметно отличаются от тех, которые имеют место при разомкнутой внешней цепи и во-вторых, часть э. д. с. теряется на преодоление внутреннего сопротивления элемента. Это можно выразить формулой: