Меню

Перечислите химические источники электрического тока химия 11 класс

Источники тока химические. Виды химических источников тока и их устройство

Источники тока химические (сокращенно ХИТ) — приспособления, в которых энергия окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую. Другие их названия — электрохимический элемент, гальванический элемент, электрохимическая ячейка. Принцип их действия заключается в следующем: в результате взаимодействия двух реагентов происходит химическая реакция с выделением энергии постоянного электрического тока. В прочих источниках тока процесс получения электроэнергии происходит по многоступенчатой схеме. Сначала выделяется тепловая энергия, затем она превращается в механическую и лишь после этого в электрическую. Преимущество ХИТ — одноступенчатость процесса, то есть электричество получается сразу, минуя стадии получения тепловой и механической энергий.

источники тока химические

История

Как появились первые источники тока? Химические источники получили название гальванических элементов в честь итальянского ученого восемнадцатого века — Луиджи Гальвани. Он был врачом, анатомом, физиологом и физиком. Одним из направлений его исследований было изучение реакций животных на различные внешние воздействия. Химический способ получения электроэнергии был открыт Гальвани случайно, во время одного из опытов над лягушками. Он подсоединил к оголенному нерву на лягушачьей лапке две металлические пластины. При этом произошло мускульное сокращение. Собственное объяснение этого явления Гальвани было неверным. Но результаты его опытов и наблюдений помогли его соотечественнику Алессандро Вольта в последующих исследованиях.

Вольта изложил в своих трудах теорию возникновения электрического тока в результате химической реакции между двумя металлами при контакте с мускульной тканью лягушки. Первый химический источник тока выглядел как емкость с соляным раствором, с погруженными в него пластинами из цинка и меди.

В промышленных масштабах ХИТ начали производиться еще во второй половине девятнадцатого века, благодаря французу Лекланше, который изобрел первичный марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом, названный его именем. Через несколько лет эта электрохимическая ячейка была усовершенствована другим ученым и являлась единственным первичным химическим источником тока до 1940 года.

первые источники тока химические источники

Устройство и принцип работы ХИТ

Устройство химических источников тока включает в себя два электрода (проводники первого рода) и находящийся между ними электролит (проводник второго рода, или ионный проводник). На границе между ними возникает электронный потенциал. Электрод, на котором происходит окисление восстановителя называют анодом, а тот, на котором происходит восстановление окислителя, — катодом. Вместе с электролитом они составляют электрохимическую систему.

Побочным результатом окислительно-восстановительной реакции между электродами является возникновение электрического тока. Во время такой реакции восстановитель окисляется и отдает электроны окислителю, который их принимает и за счет этого восстанавливается. Присутствие между катодом и анодом электролита является необходимым условием реакции. Если просто смешать между собой порошки из двух разных металлов, никакого выделения электроэнергии не произойдет, вся энергия выделится в виде тепла. Электролит нужен, чтобы упорядочить процесс перехода электронов. Чаще всего в его качестве выступает солевой раствор или расплав.

Электроды выглядят как металлические пластины или решетки. При их погружении в электролит возникает разность электрических потенциалов между ними — напряжение разомкнутой цепи. Анод имеет тенденцию к отдаче электронов, а катод — к их принятию. На их поверхности начинаются химические реакции. Они прекращаются при размыкании цепи, а также когда израсходован один из реагентов. Размыкание цепи происходит при удалении одного из электродов или электролита.

виды химических источников тока

Состав электрохимических систем

Источники тока химические в качестве окислителей используют кислородсодержащие кислоты и соли, кислород, галоиды, высшие оксиды металлов, нитроорганические соединения и т. д. Восстановителями в них являются металлы и их низшие оксиды, водород и углеводородные соединения. Как электролиты используются:

  1. Водные растворы кислот, щелочей, солевые и т. д.
  2. Неводные растворы с ионной проводимостью, полученные при растворении солей в органических или неорганических растворителях.
  3. Расплавы солей.
  4. Твердые соединения с ионной решеткой, в которой один из ионов подвижен.
  5. Матричные электролиты. Это жидкие растворы или расплавы, находящиеся в порах твердого непроводящего тела — электроносителя.
  6. Ионообменные электролиты. Это твердые соединения с фиксированными ионогенными группами одного знака. Ионы другого знака при этом подвижны. Это свойство делает проводимость такого электролита униполярной.

химические источники тока аккумуляторы

Гальванические батареи

Источники тока химические состоят из гальванических элементов — ячеек. Напряжение в одной из таких ячеек невелико — от 0,5 до 4В. В зависимости от потребности, в ХИТ используют гальваническую батарею, состоящую из нескольких последовательно соединенных элементов. Иногда применяется параллельное или последовательно-параллельное соединение нескольких элементов. В последовательную цепь всегда включают исключительно одинаковые первичные ячейки или аккумуляторы. Они должны иметь одни и те же параметры: электрохимическую систему, конструкцию, технологический вариант и типоразмер. Для параллельного соединения допустимо использование элементов разного типоразмера.

устройство химических источников тока

Классификация ХИТ

Химические источники тока отличаются по:

  • размеру;
  • конструкции;
  • реагентам;
  • природе энергообразующей реакции.

Эти параметры определяют эксплуатационные свойства ХИТ, подходящие для конкретной области применения.

Классификация электрохимических элементов основана на различии в принципе работы устройства. В зависимости от этих характеристик, различают:

  1. Первичные химические источники тока — элементы одноразового действия. В них имеется определенный запас реагентов, который расходуется при реакции. После полного разряда такая ячейка теряет работоспособность. По-другому первичные ХИТ называют гальваническими элементами. Верным будет и называть их просто — элемент. Самые простые примеры первичного источника питания — «батарейка» А-А.
  2. Перезаряжаемые химические источники тока — аккумуляторы (их также называют вторичными, обратимыми ХИТ) являются многоразовыми элементами. Путем пропускания тока от внешней цепи в обратном направлении через аккумулятор после полного разряда израсходованные реагенты регенерируются, вновь накапливая химическую энергию (заряжаясь). Благодаря возможности подзарядки от внешнего постоянного источника тока это устройство используется в течение долгого времени, с перерывами на подзарядку. Процесс выработки электрической энергии называется разрядом аккумулятора. К таким ХИТ можно отнести элементы питания многих электронных устройств (ноутбуки, мобильные телефоны и т. п.).
  3. Тепловые химические источники тока — приборы непрерывного действия. В процессе их работы происходит непрерывное поступление новых порций реагентов и удаление продуктов реакции.
  4. В комбинированных (полутопливных) гальванических элементах имеется запас одного из реагентов. Второй подается в устройство извне. Срок работы устройства зависит от запаса первого реагента. Комбинированные химические источники электрического тока используются как аккумуляторы, если есть возможность восстановления их заряда путем пропускания тока от внешнего источника.
  5. ХИТ возобновляемые перезаряжаются механическим или химическим путем. Для них существует возможность замены после полного разряда израсходованных реагентов на новые порции. То есть они не являются устройствами непрерывного действия, а, подобно аккумуляторам, периодически подзаряжаются.

химические источники электрического тока

Характеристики ХИТ

К основным характеристикам химических источников тока относятся:

  1. Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ или разрядное напряжение). Этот показатель, прежде всего, зависит от выбранной электрохимической системы (сочетание восстановителя, окислителя и электролита). Также на НРЦ влияют концентрация электролита, степень разряженности, температура и другое. НРЦ зависит от значения проходящего через ХИТ тока.
  2. Мощность.
  3. Ток разряда — зависит от сопротивления внешней цепи.
  4. Емкость — максимальной количество электричества, которое ХИТ отдает при полном его разряде.
  5. Энергозапас — максимальная энергия, получаемая при полном разряде устройства.
  6. Энергетические характеристики. Для аккумуляторов, это, прежде всего, гарантированное количество зарядно-разрядных циклов без снижения емкости или напряжения заряда (ресурс).
  7. Температурный диапазон работоспособности.
  8. Срок сохраняемости — максимально допустимый промежуток времени между изготовлением и первым разрядом устройства.
  9. Срок службы — максимально допустимый общий срок хранения и работы. Для топливных элементов значение имеют сроки службы при непрерывной и прерывистой работе.
  10. Общая энергия, отдаваемая за весь срок службы.
  11. Механическая прочность по отношению к вибрации, ударам и т. п.
  12. Возможность работы в любом положении.
  13. Надежность.
  14. Простота в обслуживании.

химические источники тока

Требования к ХИТ

Конструкция электрохимических элементов должна обеспечивать условия, способствующие наиболее эффективному протеканию реакции. К этим условиям относятся:

  • предотвращение утечек тока;
  • равномерная работа;
  • механическая прочность (в том числе герметичность);
  • разделение реагентов;
  • хороший контакт между электродами и электролитом;
  • отвод тока от зоны реакции до внешнего вывода с минимальными потерями.

Источники тока химические должны отвечать следующим общим требованиям:

  • самые высокие значения удельных параметров;
  • максимальный температурный интервал работоспособности;
  • самое большое напряжение;
  • минимальная стоимость единицы энергии;
  • стабильность напряжения;
  • сохранность заряда;
  • безопасность;
  • простота обслуживания, а в идеале отсутствие необходимости в нем;
  • длительный срок службы.

Эксплуатация ХИТ

Главное преимущество первичных гальванических элементов — отсутствие необходимости какого-либо обслуживания. Перед началом их использования достаточно провести проверку внешнего вида, срока годности. При подключении важно соблюсти полярность и проверить целостность контактов прибора. Более сложные химические источники тока — аккумуляторы, требуют уже более серьезного ухода. Цель их обслуживания — максимальное продление срока службы. Уход за аккумуляторной батареей заключается в:

  • поддержании чистоты;
  • контроле напряжения разомкнутой цепи;
  • поддержании уровня электролита (для доливки можно использовать только дистиллированную воду);
  • контроле концентрации электролита (с помощью ареометра — простого прибора для измерения плотности жидкостей).

При эксплуатации гальванических элементов необходимо соблюдать все требования, относящиеся к безопасному использованию электроприборов.

Читайте также:  Условие непрерывности для плотности тока

Классификация ХИТ по электрохимическим системам

Виды химических источников тока, в зависимости от системы:

  • свинцовые (кислотные);
  • никель-кадмиевые, никель-железные, никель-цинковые;
  • марганцево-цинковые, медно-цинковые, ртутно-цинковые, хлорно-цинковые;
  • серебряно-цинковые, серебряно-кадмиевые;
  • воздушно-металлические;
  • никель-водородные и серебряно-водородные;
  • марганцево-магниевые;
  • литиевые и т. д.

Современное применение ХИТ

Источники тока химические в настоящее время применяются в:

  • транспортных средствах;
  • переносных приборах;
  • военной и космической технике;
  • научном оборудовании;
  • медицине (электрокардиостимуляторы).

Привычные примеры ХИТ в быту:

  • батарейки (сухие батареи);
  • аккумуляторные батареи переносных бытовых приборов и электроники;
  • источники бесперебойного питания;
  • автомобильные аккумуляторы.

Особенно широкое применение получили литиевые химические источники тока. Это связано с тем, что литий (Li) обладает самой высокой удельной энергией. Дело в том, что он отличается самым отрицательным электродным потенциалом среди всех прочих металлов. Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) опережают все прочие ХИТ по величинам удельной энергии и рабочего напряжения. Сейчас они постепенно осваивают новую сферу — автомобильный транспорт. В дальнейшем разработки ученых, связанные с усовершенствованием литиевых элементов питания, будут двигаться в направлении сверхтонких конструкций и крупных сверхмощных аккумуляторных батарей.

Источник



§ 19. Химические источники тока

Гальванические элементы, их устройство и принцип действия. Сложно представить себе жизнь современного человека без гальванических элементов — химических источников тока. Карманный фонарик и наручные часы, переносной радиоприёмник и телевизионный пульт дистанционного управления, аудио- и CD-плеер, лазерная указка и космический корабль — все эти и многие другие приборы и аппараты превращаются в безжизненный и бессмысленный набор деталей без электрического «сердца».

Именно источник тока создаёт из хаотического движения электронов стройную гармонию порядка и смысла. Самый современный компьютер, включённый в электрическую сеть через сетевые фильтры, стабилизаторы и источники бесперебойного питания, не обходится без маленькой малозаметной батарейки — гальванического элемента, обеспечивающего сохранность необходимой для «старта» и загрузки системной информации.

Принцип действия гальванического элемента, основа его работы — протекание на электродах окислительно-восстановительной реакции.

Для того чтобы понять причину возникновения на электродах разности потенциалов, рассмотрим реакцию металлического цинка с раствором сульфата меди (II). Цинк, как более активныИ металл, вытесняет медь из раствора соли:

Данная реакция является окислительно-восстановительной. Атомы металлического цинка, отдавая по 2 электрона, переходят в раствор в виде катионов Zn 2+ :

Атомы цинка передают свои электроны катионам меди, в результате чего они восстанавливаются, превращаются в атомы металла:

При внесении цинка в раствор сульфата меди (II) электроны переходят непосредственно от атомов цинка к катионам меди. А что если пространственно отделить процесс окисления цинка от процесса восстановления меди, заставив электроны перебегать от цинка к катионам меди по электрическому проводнику? В этом случае за счёт протекания химической реакции можно получить электрический ток!

Своё название такие устройства получили по имени итальянского естествоиспытателя Л. Гальвани (1737—1798), впервые наблюдавшего возникновение электрического тока при контакте двух различных металлов.

Один из первых гальванических элементов был создан в 1836 г. английским исследователем Д. Даниэлем и русским учёным Б. С. Якоби (1801—1874). Схема элемента Даниэля— Якоби приведена на рисунке 80.

Рис. 80. Схема гальванического элемента Даниэля—Якоби

Элемент Даниэля—Якоби представляет собой сосуд, разделённый полупроницаемой мембраной на два отделения. В левом отделении находится раствор соли цинка, в который погружена цинковая пластинка, в правом — раствор соли меди и медная пластинка. Пластинки соединены между собой в электрическую цепь. Катионы цинка, покидая пластинку, переходят в раствор, а их электроны по цепи перемещаются на медную пластинку, на которой происходит восстановление катионов меди из раствора. В элементе возникает электрический ток, вольтметр показывает разность потенциалов, близкую к 1 В.

Поистине трудно переоценить значение этого открытия. Невозможно представить себе современную жизнь без гальванических элементов — химических источников тока: от крохотных батареек до огромных аккумуляторов.

Если заменить в гальваническом элементе медную пластинку на серебряную, разность потенциалов в цепи будет больше. Значит, эта величина зависит от природы металлов и вполне может служить количественной характеристикой их активности. Для таких измерений в пару с металлическим электродом в цепь включают так называемый водородный электрод, потенциал которого условно принят за нуль. Таким образом, по величине потенциала на металлическом электроде все металлы располагают в знакомый вам ряд, называемый электрохимическим рядом напряжений.

При изготовлении современных портативных гальванических элементов, которые мы привыкли называть батарейками, для увеличения площади поверхности электродов помещают в виде электропроводного порошка (активной массы), а электролит в виде густой пасты для предотвращения его вытекания. На рисунке 81 показано устройство сухого щелочного элемента.

Рис. 81. Устройство сухого щелочного элемента: 1 — катодный колпачок (положительный полюс); 2 — наружный стальной корпус; 3 — перегородка; 4 — стальной кожух, по которому электроны движутся от положительного полюса к катоду; 5 — пластиковая прокладка; 6 — изолирующий слой; 7 — изолятор; 8 — смесь щелочного оксида марганца (IV) (катод) и графитового проводника; 9 — стальной стержень, по которому электроны движутся от анода к отрицательному полюсу; 10 — смесь электролита (хлорида аммония) и цинкового порошка (анод)

К сожалению, при замыкании внешней цепи гальванического элемента (например, при включении сотового телефона) на катоде восстанавливается окислитель, и его концентрация в околокатодном пространстве снижается, на аноде окисляется восстановитель, его концентрация также уменьшается. При этом разность потенциалов элемента падает, батарейка разряжается. Нельзя ли восстановить батарейку, продлить её жизнь, заставить работать снова? Можно, если электродные реакции в ней обратимы. В этом случае достаточно пропустить через элемент электрический ток от внешнего источника, восстановить окислившийся на аноде восстановитель, окислить принявший на катоде электроны окислитель. При пропускании «встречного» (подумайте, почему его так называют) тока через химический источник тока разность его потенциалов растёт, он запасает, аккумулирует энергию, или, как говорят, заряжается. Подобные гальванические элементы так и называются — аккумуляторы.

Любому автомобилисту известен один из самых распространённых аккумуляторов — свинцовый (рис. 82).

Рис. 82. Устройство свинцового аккумулятора (батарея из трёх элементов): 1 — отрицательная пластина; 2 — сепаратор; 3 — выступы на дне сосуда для установки пластины; 4 — положительная пластина; 5 — сосуд с перегородками (моноблок); 6 — выводной штырь; 7, 10 — клеммы; 8 — уплотнение; 9 — крышка; 11 — пробка; 12 — межэлементное соединение; 13 — мoс тик

Катод аккумулятора изготовлен из свинца, а анод — из пористой массы оксида свинца (IV), смешанной с сульфатом свинца (II). Электролитом служит раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи (разряде аккумулятора) на его электродах идут процессы восстановления свинца Рb +4 и окисления свинца Рb 0 , а концентрация кислоты в электролите снижается.

Суммарная окислительно-восстановительная реакция, протекающая при работе свинцового аккумулятора, следующая:

Разность электродных потенциалов, т. е. ЭДС гальванического элемента, составляет примерно 2 B. Поэтому в автомобильном аккумуляторе для достижения напряжения 12 B последовательно соединены шесть одинаковых элементов.

Поскольку при разрядке аккумулятора концентрация серной кислоты понижается, плотность электролита также снижается.

При пропускании электрического тока от внешнего источника (например, генератора автомобиля) в противоположном направлении электрод, бывший анодом, начинает восстанавливать ионы свинца, а электрод, бывший катодом, окисляет эти ионы. Происходит зарядка аккумулятора, при которой на электродах протекают обратные процессы, а концентрация кислоты в электролите растёт.

Таким образом, работа аккумулятора наглядно демонстрирует превращение энергии электрического тока во внутреннюю энергию вещества — энергию химических связей и обратный процесс — получение электрической энергии в ходе электродных реакций.

В современных электронных приборах широко используются миниатюрные литиевые и металлгидридные аккумуляторы.

Гальванизация и электрофорез. Приведённые выше примеры — далеко не полный перечень возможностей использования электрохимических процессов. В медицине широко применяются такие методы лечебного воздействия, как гальванизация и электрофорез.

Гальванизация — действие постоянным током небольшой силы и напряжения, оказывает болеутоляющее действие, улучшает периферическое кровообращение, способствует восстановлению поражённых тканей, стимулирует регуляторную функцию нервной системы. Гальванизация показана при поражениях периферической нервной системы (радикулиты, невриты, невралгии), головного и спинного мозга, невротических состояниях, воспалениях суставов (артритах) и т. п.

Лечебный электрофорез (направленное движение коллоидных частиц или ионов лекарства) — комбинированное лечебное действие на организм постоянного электрического тока и вводимых им через кожу или слизистые оболочки компонентов лекарственных препаратов. При электрофорезе повышается чувствительность рецепторов к лекарству, достигается локализация препарата в нужной области организма и увеличивается продолжительность его терапевтического действия, что позволяет снизить дозу лекарства без снижения лечебного действия. Электрофорез применяют при лечении центральной и периферической нервной системы, гинекологических заболеваний и болезней опорно-двигательного аппарата. Более подробно об использовании электрохимических процессов в медицине вы узнаете из следующей главы учебника. Кроме медицины, электрофорез используют для выделения каучука из латекса, очистки воды, анализа и разделения белков, аминокислот, витаминов, бактериальных клеток и вирусов.

На этом мы заканчиваем главу I, посвящённую атомам, веществам, реакциям. Вам остаётся только подкрепить изученный материал практическими работами. Следующая глава будет посвящена изучению человека, строению его тела, отдельных органов и систем органов, его здоровью.

Читайте также:  Схема регулировки оборотов двигателя постоянного тока 12в

Источник

Химия. 11 класс

Конспект урока

Химия, 11 класс

Урок № 8. Химические источники тока. Ряд стандартных электродных потенциалов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён устройству и принципу работы гальванического элемента и других химических источников тока. Учащиеся получат представление о ряде электродных потенциалов и возможностях его использования.

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Электрод — электрический проводник, имеющий электронную проводимость и находящийся в контакте с ионным проводником — электролитом. В электрохимии — это часть электрохимической системы, включающая в себя проводник и окружающий его раствор

Анод — электрод, на котором происходит процесс окисления

Катод — электрод, на котором происходит процесс восстановления

Аккумулятор — химический источник тока многоразового действия

Топливный элемент — устройство, обеспечивающее прямое преобразования химической энергии в электрическую

Электрохимия — наука, которая изучает закономерности взаимного превращения химической и электрической форм энергии

Ряд стандартных электродных потенциалов — ряд металлов, расположенных в порядке возрастания значения их стандартных потенциалов

Стандартные условия — температура 25 о С, концентрация солей 1моль/л, давление 0,1МПа

Стандартный водородный электрод — электрод, использующийся в качестве электрода сравнения при различных электрохимических измерениях

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

  • Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Химические источники тока

Рассмотрим знакомую нам окислительно-восстановительную реакцию. В раствор сульфата двухвалентной меди опустим цинковую пластинку. Со временем на поверхности цинка образуется красноватая пленка кристаллической меди. Синяя окраска раствора постепенно ослабевает. Это говорит о том, что протекает химическая реакция.

Cu 2+ + Zn = Zn 2+ + Cu

Молекулы воды отрывают ион цинка. Отдавая электроны, цинк является восстановителем. Ион меди – окислитель — принимает электроны. Электроны передаются от цинка к меди в месте соприкосновения металлов.

Давайте немного изменим условия проведения реакции. Цинковую пластинку опустим в сосуд с раствором сульфата цинка. Медную поместим в другой сосуд с раствором сульфата меди. Соединим пластинки с помощью металлического проводника. Теперь на цинковой пластинке идет окисление атомов цинка, а на медной восстанавливаются ионы меди. Электроны для их восстановления передаются теперь не напрямую, а по проводнику. Направленное движение электронов по этой внешней цепи и есть не что иное, как электрический ток.

Таким образом, произошло превращение энергии, полученной в результате химической реакции в электрическую. Устройство, в котором это осуществилось, получило название гальванический элемент.

Металлические пластинки или стержни называются электродами. Электроны перемещаются по внешней цепи от анода (цинка) к катоду (меди).

Образовавшиеся на аноде ионы цинка выходят в раствор и придают ему избыточный положительный заряд. В это же время у катода катионы меди восстанавливаются (принимают электроны), а оставшиеся в растворе анионы SO4 2- заряжают раствор отрицательно. Это препятствует дальнейшему течению процесса.

Чтобы не допустить этого, соединим сосуды стеклянной трубкой, которую заполним раствором хлорида калия с желатином. Теперь анионы будут двигаться в сторону цинка, а катионы – наоборот. Так будет поддерживаться электронейтральность растворов.

Гальванический элемент будет продолжать работу до полного растворения цинкового электрода или до восстановления всех ионов меди.

Впервые установку, в которой химическая реакция породила электрический ток, собрал Алессандро Вольта в 1800 году. Название «гальванический элемент» она получила позднее.

Теперь наука, которая изучает химические процессы, проходящие под действием электрического тока, а также процессы, в результате которых энергия химических реакций преобразуется в электрическую энергию, называется электрохимия.

Химические источники тока применяются очень широко. Знакомые нам «батарейки» — это разные варианты гальванических элементов. К сожалению, разрядившаяся батарейка уже не может быть восстановлена.

Этого недостатка лишены аккумуляторы, которые тоже представляют собой химические источники тока. Они устроены так, что израсходовав в процессе работы материалы электродов и электролит, способны вновь восстановить рабочие свойства после зарядки.

В свинцовом аккумуляторе чередуются решетчатые пластины, заполненные губчатым свинцом и диоксидом свинца. Электролитом служит серная кислота. Во время работы аккумулятора металлический свинец окисляется, а диоксид свинца восстанавливается.

Когда аккумулятор заряжают, то подключают его таким образом, чтобы ток шёл в направлении, противоположном тому, в котором двигались электроны во время работы. Благодаря этому, процессы окисления и восстановления на электродах поворачивают вспять. Теперь протекают обратные реакции, в результате которых снова появляются свинец, диоксид свинца и серная кислота.

Аккумулятор снова готов к работе.

Еще один источник преобразования химической энергии в электрическую – топливный элемент. Он подобен гальваническому элементу с той лишь разницей, что реагенты постоянно поступают в него извне. Поэтому он не разряжается и не требует электричества для повторной зарядки. Примером может служить водородный топливный элемент, перспективный для водородной энергетики.

Ряд стандартных электродных потенциалов

Вернемся к электродам и посмотрим поближе, что происходит там, где металл граничит с раствором.

Молекулы воды поляризованы и способны отрывать ионы металла. Удерживающиеся на поверхности электроны образуют отрицательно заряженный слой. К нему притягиваются из раствора катионы, образуя второй слой — положительный. Возникающую в двойном слое разность потенциалов называют электродным потенциалом, но определить его величину напрямую невозможно.

Однако есть такой электрод, которым пользуются для сравнения электродных потенциалов разных металлов. Он сделан из платины, но называется водородным, потому что водород пропускается через кислоту, в которой находится электрод. Благодаря платине, выступающей как катализатор, часть молекул водорода распадаются на атомы, которые окисляются на границе с кислотой. Одновременно идет и обратная реакция.

Разность потенциалов, возникающая в двойном электрическом слое водородного электрода, условно принимается за ноль.

Потенциал металла, измеренный относительно стандартного водородного электрода при концентрации ионов металла 1 моль/л и температуре раствора, равной 25 о С, называют стандартным электродным потенциалом металла.

Соберём гальванический элемент, соединив электрод из исследуемого металла со стандартным водородным электродом. Электролитом для металлического электрода послужит раствор соли этого металла, а для водородного, как всегда, кислота.

Зная, что электродвижущая сила вычисляется как разность потенциалов двух электродов, и, подставив ноль в случае водородного электрода, мы видим, что измеренная ЭДС и будет потенциалом исследуемого электрода.

Металлы, расположенные в порядке возрастания значений их стандартных потенциалов, составляют электрохимический ряд напряжений металлов или ряд стандартных электродных потенциалов. Еще одно название – ряд активности металлов.

Имея в своем распоряжении ряд напряжений, мы можем характеризовать химические свойства металлов:

  1. Чем меньше значение электродного потенциала металла, тем больше его восстановительная способность;
  2. Каждый металл, начиная с магния, вытесняет все следующие за ним металлы из растворов их солей (это касается металлов, не взаимодействующих с водой);
  3. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, вытесняют его из разбавленных кислот (кроме азотной).

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЯ ЗАДАНИЙ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

  1. Решение задачи на использование электрохимического ряда напряжений металлов

Условие задачи: Учитель загадал металл и дал ученикам три подсказки:

  • из соли ртути он вытеснит ртуть;
  • но не вытеснит водород из растворов кислот;
  • вам отгадать поможет вполне таблица, висящая на стене.

— Конечно, это ___, — засмеялись ученики, — только один металл подходит под ваше описание.

Вставьте в текст название металла.

Шаг первый: из таблиц выбираем «Электрохимический ряд напряжений металлов»

Шаг второй: находим металлы левее ртути, т.к. они вытесняют ртуть из растворов солей.

Шаг третий: из выбранных металлов находим те, что расположены правее водорода, т.к. они не вытесняют водород из растворов кислот.

Этим условиям отвечает только один металл – медь.

2. Решение задачи на расчеты по уравнению реакции

Условие задачи: Мастер решил покрыть железную фигурку слоем меди и поместил её в сосуд с раствором медного купороса. Он знал, что на изготовление фигурки было использовано ровно 120 г железа. Когда мастер достал фигурку из раствора, её масса оказалась уже 121,56 г. Сколько граммов меди осело на фигурке?

Читайте также:  В цепях какого тока применяют трансформаторы

Шаг первый: Запишем уравнение реакции

Шаг второй: Выразим массу железа через массу меди.

Из уравнения реакции следует, что количество вещества выделившейся меди равно количеству вещества прореагировавшего железа

m(Fe)/56 = m(Cu)/64, тогда

Шаг третий: Рассчитаем массу меди.

Так как масса пластинки уменьшилась на величину массы прореагировавшего железа и увеличилась на величину массы выделившейся меди, можно записать равенство:

Источник

Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа

Химические источники тока (ХИТ) — эта тема имеет высокое практическое значение. Это кардиостимуляторы, электромобили, которые пытаются сохранить экологию, портативные устройства, включая фото и видеотехнику, компьютерную технику, навигаторы. За последние годы прогресс химических источников тока произошел большой, от известных свинцовых аккумуляторов, которые постепенно вытесняются литий-ионными, литий-полимерными и другими аккумуляторами.

В этой области борьба идет за мощность, емкость, которая позволяет максимально долго использовать источники тока. Дополнительным стимулом к их развитию является создание гибких источников тока. Научная составляющая в этой области лежит в плане разработки материалов для таких химических элементов.

Устройство и работа

Химические источники тока состоят из электродов и электролита, который находится в емкости. Электрод, на котором окисляется восстановитель, называется анодом. Электрод, на котором восстанавливается окислитель, называется катодом. В общем получается электрохимическая система.

Попутным результатом такой реакции стало возникновение тока. Восстановитель передает электроны на окислитель, который восстанавливается. Электролит, который находится между электродами, нужен для прохождения реакции. Если перемешать порошки различных двух металлов, то электричество не возникнет, энергия появится в виде теплоты. Электролит необходим для упорядочения процесса движения электронов. Электролит состоит обычно из раствора соли или расплавленного вещества.

Электроды имеют вид решеток или пластин из металла. При помещении их в раствор электролита получается разность потенциалов пластин. Анод отдает электроны, а катод их принимает. На поверхности возникают химические реакции. Когда цепь размыкается, то реакции прекращаются. Если реагенты закончились, то реакция также больше не идет. Если удалить один из электродов, то цепь размыкается.

Khimicheskie istochniki toka foto 1

Из чего состоят химические источники тока

В качестве окислителей применяются соли и кислородосодержащие кислоты, а также нитроорганические вещества, кислород. В качестве восстановителей применяются металлы, оксиды, углеводороды.

Электролит может состоять из:
  • Соли, щелочи и кислоты, растворенные в воде.
  • Соли в растворе, с возможностью электронной проводимости.
  • Расплавленные соли.
  • Твердые вещества с подвижным ионом.
  • Электролиты в виде матрицы. Это растворы жидкости, расплавы, которые находятся в порах электроносителя.
  • Электролиты с ионным обменом. Твердые вещества с закрепленными ионогенными группами, с одним знаком. С другим знаком ионы подвижны. Эта характеристика позволяет создать однополярную проводимость.

Khimicheskie istochniki toka foto 2

Гальванические элементы

Напряжение на ячейке составляет 0,5-4 вольта. В химических образцах источника применяют гальваническую батарею, которая состоит из элементов. Может использоваться параллельная схема нескольких элементов. При последовательной схеме в цепь включены одинаковые батареи. Они должны обладать одинаковыми свойствами, с одной конструкцией, технологией, типоразмером. Для схемы параллельного соединения подойдут элементы с различными свойствами.

Khimicheskie istochniki toka foto 3

Классы
Химические источники тока делятся по следующим свойствам:
  • Размерности.
  • Конструктивным особенностям.
  • Применяемым химическим веществам.
  • Источнику реакции.

Эти свойства создают эксплуатационные параметры источников, которые подходят для определенной области использования.

Деление на классы электрохимических источников основывается на отличии в способе действия устройства. По этим свойствам их различают:
  • Первичные источники – для однократного применения. В них заключен определенный запас веществ, который будет израсходован при реакции. Когда произойдет разряд, ячейка исчерпывает свою способность к работе. Первичные источники, основанные на химических реакциях, называются элементами. Наиболее простой элемент – это батарейка типа АА.
  • Химические источники тока , которые имеют возможность перезаряжаться, называются аккумуляторами, это вторичные многоразовые элементы. Израсходованные химические элементы могут регенерироваться и снова накопить энергию, путем подключения к ним тока. Это называется зарядкой элементов. Такие элементы применяют длительное время, так как их легко зарядить. В процессе разряда вырабатывается электрический ток. К таким источникам можно причислить элементы питания различных видов приборов и устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и т.д.
  • Тепловые химические источники тока – это приборы постоянного действия. В результате их работы постоянно поступает новая порция веществ и удаляется использованный продукт реакции.
  • В смешанных элементах находится запас реагента. Другой реагент поступает в устройство снаружи. Время действия устройства имеет зависимость от резерва первого вещества. Комбинированные элементы применяются в качестве аккумуляторов, когда имеется возможность регенерации их заряда через прохождение тока от внешнего питания.
  • Химические источники тока, которые могут возобновлять заряд , заряжаются разными способами. В них можно заменять израсходованные реагенты. Такие источники действуют не постоянно.

Khimicheskie istochniki toka foto 4

Свойства
Основные характеристики ХИТ можно перечислить в таком виде:
  • Разрядное напряжение. Это свойство имеет зависимость от определенной электрохимической системы. А также оказывает влияние процент концентрации электролита, температура, ток.
  • Мощность.
  • Разрядный ток, зависящий от сопротивления цепи.
  • Емкость, наибольшее количество энергии, которое источник выдает при общем разряде.
  • Запас энергии – наибольшая энергия, которая получена при полном разряде устройства.
  • Энергетические свойства и характеристики. Для батарей аккумуляторов это число циклов заряда и разряда, без уменьшения емкости и напряжения (ресурс).
  • Температурный интервал работы.
  • Сохраняемый срок – наибольший допускаемый период времени от изготовления до первого разряда элемента.
  • Время службы – наибольший допускаемый срок работы и хранения. Для элементов на топливе имеют значение сроки работы при постоянной и периодической работе.
  • Полная энергия, отданная за все время работы.
  • Механическая, вибрационная прочность.
  • Возможность функционирования в любом положении.
  • Надежная работа.
  • Простота в уходе.
Сахарная батарея

Чтобы произвести литий-ионные аккумуляторы в Японии закупают материалы в других странах. Это негативно сказывается на экономическом положении страны. Поэтому ученые ищут способы изготовления аккумуляторов из того сырья, которое имеется в наличии. Таким сырьем в Японии стал сахар. Аккумулятор на сахаре в Японии по свойствам имеет надежность и энергоемкость выше обычных аналогов, и стоимость его ниже.

Большой спрос на литий, который вызван резким распространением переносных аккумуляторов, озаботил производителей аккумуляторов, так как этот элемент добывается только в странах с политической нестабильностью. Это явилось вторым фактором поиска альтернативных материалов для недорогих аккумуляторов с высокой надежностью. Сахароза легко преобразуется в дешевый материал для анодного сырья в литий-ионных батареях.

Сахар нагревают в условиях вакуума под давлением до 1500 градусов. Он превращается в порошок, состоящий из углерода, который может повысить заряд на 20% больше аналогичных изделий. Это явилось первым шагом в разработке дешевых батарей. Пока такие виды батарей не составляют конкуренции современным аккумуляторам. Но ученые предполагают, что в будущем подобные разработки вытеснят дорогие изделия.

Требования

Конструктивные особенности химических источников тока должны создавать условия, которые способствовали бы максимальной эффективности химических реакций.

К таким условиям можно отнести:
  • Недопущение утечек тока.
  • Постоянная работа.
  • Герметичность.
  • Раздельное помещение реагентов.
  • Качественное контактирование электролита с электродами.
  • Хороший отвод тока из объекта химической реакции до наружного вывода с наименьшими потерями.
К химическим элементам предъявляются требования:
  • Повышенные значения свойств.
  • Максимальный диапазон температуры работы.
  • Наибольшее напряжение.
  • Минимальная себестоимость электричества.
  • Постоянное значение напряжения.
  • Хорошее сохранение заряда.
  • Безопасное функционирование.
  • Простое обслуживание, или ее отсутствие.
  • Долговременная работа.
Эксплуатация источников тока

Основное достоинство первичных элементов состоит в отсутствии надобности обслуживания. Перед работой нужно просто осмотреть их, определить срок годности. При включении в цепь нельзя путать полярность и допускать повреждения контактов. Сложные конструкции источников требуют особого ухода. Цель его заключается в удлинении срока службы до максимума.

Уход за аккумуляторами требует выполнения следующих мероприятий:
  • Обеспечение чистоты.
  • Контроль параметра напряжения отключенной цепи.
  • Обеспечение необходимого уровня электролита, доливки дистиллированной воды.
  • Проверка концентрации электролита ареометром.

При использовании батареек (гальванических элементов) нужно выполнять требования, которые относятся к применению электрических приборов.

Сфера использования
В современное время химические источники тока используются в:
  • Транспорте.
  • Переносных устройствах.
  • Космической технике.
  • Оборудовании научных исследований.
  • Медицинских приборах.
Применяются в бытовой сфере:
  • Батарейки (сухие).
  • Батареи аккумуляторов электроники.
  • Аккумуляторы на автомобилях.

Большое распространение нашли литиевые химические источники тока. Это обусловлено наличием у лития максимальной удельной энергии. Он отличается наиболее отрицательным потенциалом электрода из металлов. Батареи литий ионного типа опередили все другие источники по размеру значений удельной энергии. В настоящее время ученые разрабатывают различные усовершенствования литиевых аккумуляторов. Разработки ведутся в направлении получения конструкций корпуса сверхмалой толщины, которые будут использоваться для питания смартфонов и подобных им гаджетов, а также создание сверхмощных батарей аккумуляторов.

В последнее время серьезные работы ученых ведутся по изобретению и модернизации топливных батарей – устройств, которые создают электрическую энергию, за счет проведения химических реакций веществ, постоянно подающихся к электродам снаружи. Для окисления берут кислород, а в качестве топлива пытаются использовать водород. На основе таких батарей уже действуют некоторые опытные образцы на электростанциях.

Источник