ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.03.2024
Просмотров: 18
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
-
Общая характеристика химических источников тока
Законы электрохимии применяются для получения электрической энергии за счет преобразования энергии химических реакций в химических источниках тока. Достоинствами химических источников тока являются: высокий коэффициент полезного действия, бесшумность, безвредность, компактность, что позволяет их использовать в очень широком диапазоне.
Различают химические источники первого и второго рода. К химическим источникам первого рода относятся устройства для прямого преобразования химической энергии в электрическую. После завершения химической реакции источники первого рода далее использоваться не могут. Это источники одноразового действия. К ним относятся сухие и наливные элементы.
К химическим источникам второго рода относятся обратимые устройства для преобразования химической энергии в электрическую. После завершения химической реакции возможно под действием внешнего источника тока вернуть такой источник в рабочее состояние. К источникам второго рода относятся аккумуляторы.
К химическим источникам тока относятся и топливные элементы - устройства для преобразования химической энергии в электрическую, в которых восстановитель и окислитель хранятся вне элемента и в процессе работы подаются к инертным электродам.
Химические источники тока характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), напряжением, мощностью, ёмкостью и энергией, которую элемент может отдать в процессе работы во внешнюю цепь, также важной характеристикой химического источника тока является сохраняемость.
Электродвижущая сила элемента определяется значениями катодного и анодного потенциалов. Напряжение элемента меньше ЭДС из-за поляризации электродов (изменения величины их потенциалов в процессе работы) и оммических потерь на сопротивление проводников первого и второго рода внутри элемента. При разряде элемента поляризация электродов возрастает, а напряжение постепенно снижается. Чем меньше снижается напряжение при разряде элемента, тем больше возможностей его применения.
Ёмкость элемента – это количество электричества, которое источник тока отдает при разряде. Она определяется массой реагентов и степенью их превращения. С увеличением тока разряда и снижением температуры ёмкость элемента снижается.
Энергия элемента равна произведению его ёмкости на напряжение. Она возрастает с увеличением количества реагентов и с увеличением температуры.
Удельная энергия – это энергия элемента, отнесенная к единице массы или объёма элемента. Более высокую удельную энергию можно получить в элементах с большим значением ЭДС, малой эквивалентной массой веществ и высокими степенями превращения реагентов.
Сохраняемость – срок хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах.
-
Химические источники первого рода
В химических источниках первого рода восстановителями (анодами) обычно служат цинк или магний, в последнее время стал использоваться литий. В качестве окислителей (катодов) используют оксиды металлов (марганца, меди, ртути, серебра), хлориды меди и свинца, сульфид железа, а также кислород воздуха.
Сухие химические источники тока первого рода называются так потому, что в них используется не жидкий электролит, а густая электролитная паста. Примером сухого элемента может быть марганцево-цинковый солевой элемент – элемент Лекланше (Рис.1). Его применяют для питания радиоаппаратуры, средств связи, магнитофонов, карманных фонарей и т.п.
Анодом в этом элементе служит цинковый электрод, который является корпусом элемента. Катод – графитовый стержень с впрессованным в него диоксидом марганца MnO2. В качестве электролита используется паста, содержащая хлорид аммония NH4Cl с добавкой муки или крахмала.
Рис.1. Схема марганцево-цинкового сухого солевого элемента
(элемент Лекланше)
Краткая схема элемента записывается следующим образом:
(– ) A: Zn ǀ NH4Cl ǀ MnO2, C: K (+)
На аноде происходит окисление цинкового корпуса
Zn0 – 2ē → Zn2+
с последующим связыванием ионов цинка в комплексное соединение:
Zn2+ + 2NH4Cl → [Zn(NH3)2]Cl2 + 2H+.
На катоде восстанавливается диоксид марганца:
MnO2 + ē + H+ → MnO(OH)
Суммарное уравнение токообразующей реакции имеет вид:
Zn0 + 2NH4Cl + 2MnO2 → [Zn(NH3)2]Cl2 + 2MnO(OH).
Достоинства этого источника тока: недорогой, компактный, относительно безвредный, легко собирается в батарею, напряжение 1,3 В, удельная энергия 45 Вт·ч/кг.
Недостатки: напряжение заметно падает во времени, особенно при отрицательных температурах, малый срок хранения (до 6 месяцев).
В настоящее время большее распространение получили щелочные сухие источники тока.
Ртутно-индиевый щелочной элемент. Анодом является электрод, изготовленный из сплава висмута и индия. Катод – угольный электрод с нанесенным на него оксидом ртути. Электролит – гидроксид калия, загущенный мукой или крахмалом. Краткая схема элемента:
(– ) A: Bi; In ǀ KOH ǀ HgO, C: K (+)
На аноде окисляется индий:
In0 – 3ē → In3+;
ионы индия связываются в комплексное соединение:
2In3+ + 6KOH + 6H2O → 2K3[In(OH)6] + 6H+
с последующим разложением комплексного соединения и образованием оксида индия:
2K3[In(OH)6] → In2О3 +6КОН + 3Н2О.
На катоде восстанавливается оксид ртути:
HgO + 2ē + 2H+ → Hg + H2O.
Суммарная токообразующая реакция:
2In0 + 3HgO → 3Hg + In2О3.
Применяется в наручных часах, в аппаратуре, где важно стабильное напряжение. Достоинства: имеет малые размеры, высокую удельную энергию (77 – 109 Вт·ч/кг), стабильное напряжение (1,17 В) и большой срок хранения (5 - 10 лет). Может работать при температуре до -20 0С. Серьезным недостатком является образование токсичной ртути и сложности утилизации отработавших элементов.
Похожим на ртутно-индиевый элемент в устройстве и в работе является ртутно-цинковый сухой элемент. Анодом является цинковый корпус, в остальном устройство элемента такое же:
(– ) A: Zn ǀ KOH ǀ HgO, C: K (+)
На аноде происходит окисление цинка:
Zn0 – 2ē → Zn2+
с последующим связыванием ионов цинка в комплексное соединение:
Zn2+ + 2КОН + 2Н2О → К2[Zn(OH)4] + 2H+.
На катоде восстанавливается оксид ртути:
HgO + 2ē + 2H+ → Hg + H2O.
Суммарная токообразующая реакция:
Zn0 + 2КОН+ 2Н2О + HgO → К2[Zn(OH)4] + Hg.
Характеристики: удельная энергия до 135 Вт·ч/кг, ЭДС 1,36 В, рабочая температура от -12 до +80 0С.
Достоинства: стабильное напряжение, большой срок хранения, высокая удельная энергия, низкое внутреннее сопротивление.
Недостатки: наличие токсичной ртути, сложность утилизации отработавших элементов.
Применение: источники питания в электронных часах, кардиостиму-ляторах, слуховых аппаратах, фотоэкспонометрах, военных приборах ночного видения, переносной радиоаппаратуре военного назначения, в космических аппаратах. В настоящее время из-за токсичности ртути запрещены к использованию.
Марганцево-цинковый щелочной элемент по своему устройству похож на элемент Лекланше, но в качестве электролита в нем используется гидроксид калия. Схема элемента:
(– ) A: Zn ǀ КОН ǀ MnO2, C: K (+)
На аноде происходит окисление цинка:
Zn0 – 2ē → Zn2+
с последующим связыванием ионов цинка в комплексное соединение:
Zn2+ + 2КОН + 2Н2О → К2[Zn(OH)4] + 2H+.
На катоде восстанавливается диоксид марганца:
MnO2 + ē + H+ → MnO(OH)
Суммарное уравнение токообразующей реакции имеет вид:
Zn0 + 2КОН+ 2Н2О + 2MnO2 → К2[Zn(OH)4] + 2MnO(OH).
Достоинства: сохраняемость от 1,5 до 3 лет, удельная энергия 67 – 99 Вт·ч/кг, напряжение 1,5 В, рабочая температура от -40 до +55 оС. Используется в пультах дистанционного управления, в часах.
Медно-окисный щелочной элемент
В этом элементе вместо оксида токсичной ртути используется менее опасный оксид меди. Схема элемента:
(– ) A: Zn ǀ KOH ǀ CuO : K (+)
На аноде происходит окисление цинка:
Zn0 – 2ē → Zn2+
с последующим связыванием ионов цинка в комплексное соединение:
Zn2+ + 2КОН + 2Н2О → К2[Zn(OH)4] + 2H+.
На катоде восстанавливается оксид меди:
CuO + 2ē + 2H+ → Cu + H2O.
Суммарная токообразующая реакция:
Zn0 + 2КОН+ 2Н2О + CuO → К2[Zn(OH)4] + Cu.
Характеристики элемента: удельная энергия 84 – 127 Вт·ч/кг, ЭДС 1,15 В, рабочая температура от -30 до +45 оС.
Достоинствами являются высокая удельная энергия, способность работать в широком диапазоне температур, относительная безопасность, большой срок хранения.
Недостатки: низкое напряжение, высокая цена.
Аналогичное строение и принцип действия имеет серебряно-окисный сухой щелочной элемент. Схема элемента:
(– ) A: Zn ǀ KOH ǀ Ag2O : K (+)
На аноде происходит окисление цинка:
Zn0 – 2ē → Zn2+
с последующим связыванием ионов цинка в комплексное соединение:
Zn2+ + 2КОН + 2Н2О → К2[Zn(OH)4] + 2H+.
На катоде восстанавливается оксид серебра:
Ag2O + 2ē + 2H+ → 2Ag + H2O.
Суммарная токообразующая реакция:
Zn0 + 2КОН+ 2Н2О + Ag2O → К2[Zn(OH)4] + Ag.
Достоинствами элемента являются высокое напряжение (1,6 В), долгий срок хранения (2 – 3 года), высокая удельная энергия, низкое внутреннее сопротивление, относительная безопасность.
Недостатком серебряно-окисного элемента является высокая стоимость из-за использования в нем соединений серебра.
Элемент используется в слуховых аппаратах, в радиоаппаратуре.
Широкое распространение получил воздушно-цинковый сухой источник тока. В нем на катоде вместо оксидов металлов используется катализатор восстановления кислорода. Воздух подается в элемент через специальное отверстие. Схема элемента:
(– ) A: Zn ǀ KOH ǀ O2, C: K (+)
На аноде происходит окисление цинка:
Zn0 – 2ē → Zn2+
с последующим связыванием ионов цинка в комплексное соединение:
Zn2+ + 2КОН + 2Н2О → К2[Zn(OH)4] + 2H+.
На катоде восстанавливается кислород воздуха:
О2 + 4Н+ + 4ē → 2Н2О.
Суммарная токообразующая реакция:
2Zn0 + 4КОН + 2Н2О + О2 → 2К2[Zn(OH)4].
Достоинства элемента: легкий, компактный, безопасный, стабильное напряжение 1,25 В, высокую удельную энергия более 450 Вт·ч/кг, рабочая температура от -20 до +35 оС.
Недостатки: из-за высыхания электролита имеет небольшой срок хранения. Если воздух поступает на катод постоянно, элемент имеет высокий саморазряд, что также уменьшает срок хранения. Для устранения названных недостатков изготовляют элементы с плотно закрывающимся отверстием для подачи воздуха. В этом случае срок хранения элемента увеличивается до 3-х лет. Применяется, главным образом, как источник питания для слуховых аппаратов.
Наливные источники тока, в отличие от сухих элементов, могут храниться долго без саморазряда, в рабочее состояние приводятся в момент заполнения элемента электролитом. Примером наливного элемента служит медно-хлоридно-магниевый источник тока. Анод изготовлен из магния, на катоде находится хлорид одновалентной меди. В качестве электролита используется хлорид натрия. Схема элемента:
(– ) A: Mg ǀ NaCl ǀ CuCl: K (+)
При попадании в элемент воды начинается химическая реакция. На аноде окисляется магний:
