Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Источники превращения энергии химической реакции в электрическую энергию

Поиск

Гальванические элементы – источники энергии одноразового использования. После окончания срока работы они выбрасываются. Их мировое производство достигает примерно 10 млрд штук в год.

В гальваническом элементе не происходит никаких химических превращений, если элемент не подсоединен к потребителю электрической энергии (рис. 40).

В гальваническом элементе, показанном на рис. 40, включенном в электрическую цепь с потребителем энергии (калькулятором, фонарем и др.), одновременно осуществляются две химические реакции. На катоде идет реакция восстановления Mn+4 пиролюзита MnO2 в Mn+3 манганита Mn2O3:

2NH4+(р-р)+2МnO2(т)+2е-® Mn2O3(т)+ 2NH3(г)+Н2О(ж).

На аноде идет реакция окисления Zn в Zn2+. Она происходит на внутренней поверхности цинкового корпуса, выступающего в роли анода, при этом цинковая оболочка элемента истончается:

Zn(т) ® Zn2+(р-р) + 2е-.

Результатом электродных процессов является реакция:

 

2MnO2(т)+2NH4Cl(р-р)+Zn=Mn2O3(т)+2NH3(г)+ZnCl2(р-р) + Н2О(ж), DGr <0.

 

Вещества, расположенные у катода и анода, между собой не перемешиваются, так как они представляют собой густые пасты. Такие гальванические элементы называют «сухими». В пастах происходит движение ионов, только с меньшей скоростью, чем в водных растворах.

Рис. 40. Сухой гальванический элемент. В качестве загустителя водного раствора электролита и превращения электролита в пасту может быть использована мука

 

Этой скорости перемещения ионов достаточно для проведения электрохимических реакций.

Раздельное проведение реакций окисления на аноде и восстановления на катоде позволяет создать разность потенциалов на электродах и преобразовать энергию химической реакции в электрическую энергию гальванического элемента. Газообразный аммиак, который образуется в результате химической реакции в гальваническом элементе, связывается с помощью ZnCl2 в комплексную соль:

4NH3(г) + ZnCl2(р-р) = Zn[(NH3)4]Cl2(р-р).

Кроме приведенного марганцево-цинкового гальванического элемента, существует множество модификаций сухих элементов, электролитом в которых служат не только соли, но и щелочи. Наиболее распространенные сухие элементы имеют разность потенциалов между электродами Е, равную 1,5 В.

Топливные элементы

Рассмотрим работу водородно-кислородного топливного элемента, в котором энергия горения водорода

Н2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(ж); DGr = - 237.2 кДж

превращается в электрическую энергию. Схема устройства топливного элемента представлена на рис. 41.

 

Рис. 41. Схема водородно-кислородного топливного элемента с пористыми никелевыми электродами

 

В топливном элементе

(-) (Ni) Н2(г)½КОН (р-р) ½½О2(г) (Ni) (+)

осуществляются раздельно протекающие реакции:

анод (окисление): 2Н2(г)+4ОН-(р-р) ®4Н2О(ж)+4е-;

катод (восстановление): О2(г)+ 2Н2О(ж)+ 4е-®4ОН-(р-р).

Сложение анодной и катодной реакций приводит к результату, который отвечает горению водорода в кислороде.

Водородно-кислородные элементы нашли применение для питания бортовой аппаратуры космических кораблей.

 

Аккумуляторы

Аккумуляторы - химические источники электрической энергии многократного действия.

В каждом автомобиле устанавливается аккумулятор. Масштабы производства аккумуляторов сравнимы с производством автомобилей и других механических устройств, которые используют электрический ток для запуска двигателя. Аккумулятор как источник электрической энергии многократного действия имеет несомненные преимущества перед гальваническими элементами.

В свинцовом аккумуляторе (рис. 42) электроды представляют собой пластины из пористого свинца. Анод - пористый свинец, катод - также пористый свинец, содержащий в порах оксид свинца PbO2. Оба электрода прочно установлены в плоской пластмассовой банке, заполненной 35 – 40%-ным водным раствором серной кислоты. Аккумулятор, подсоединенный к стартеру, при включении запускает двигатель автомобиля. Энергия электрохимического процесса (разрядка аккумулятора) превращается в механическую работу.

При разрядке аккумулятора на катоде идет реакция восстановления. Степень окисления свинца изменяется от +4 в PbO2 до +2 в PbSO4):

Pb+4O2-2(т)+HSO4-(р-р)+3H+(р-р)+2e- = Pb+2SO4-2(т) + 2H2O(ж).

На аноде идет реакция окисления. Степень окисления свинца изменяется от 0 в Pb до +2 в PbSO4:

Pb0(т) + HSO4-(р-р) = Pb+2SO4-2(т) + H+(р-р) + 2e-.

Суммарная окислительно-восстановительная реакция:

PbO2 + 2HSO4- + 3H+ + Pb⇄ 2PbSO4 + 2H2O + H+.

В процессе разрядки электродные реакции протекают слева направо, в процессе зарядки - справа налево. При работе аккумулятора происходит изменение состава электродов. На обоих электродах образуется сульфат свинца PbSO4.

Обычно каждая банка аккумулятора дает напряжение примерно 2В. Комплектуют аккумуляторную батарею из 6 банок, соединенных последовательно. Напряжение на концах аккумуляторной батареи 12В.

124Разрядка аккумулятора (при запуске двигателя) и зарядка аккумулятора (при работе двигателя внутреннего сгорания) осуществляются в процессе эксплуатации транспортного средства в течение многих лет.

 

Электролит – водный раствор H2SO4

 

Рис. 42. Свинцовый аккумулятор

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-12-10; просмотров: 405; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.119.192.2 (0.007 с.)