Учебник. Типы гальванических элементов



Типы гальванических элементов

Концентрационные элементы состоят из одинаковых электродов, отличающихся активностями потенциалопределяющего иона M a + . Действительно, из уравнения Нернста следует, что при a 1 > a 2 ЭДС концентрационного элемента (-)M| M n+ ( a 2 )|| M n+ ( a 1 )|M(+) равна E=( E ˆ + 0,059 n ċlg a 1 ) -( E ˆ + 0,059 n ċlg a 2 ) = 0,059 n ċlg a 1 a 2 .

ЭДС этих элементов обычно очень мала. Концентрационные элементы используются при определении pH и концентраций труднорастворимых солей.

В топливных гальванических элементах (электрохимических генераторах) процесс окисления некоторых видов топлива используется для непосредственного получения электрической энергии. Основным их преимуществом является принципиальная возможность достижения очень высоких КПД использования топлив.

В щелочном водородно-кислородном топливном элементе (-) M 1 H 2 |KOH| O 2 M 2 (+), где M1 и M2 – проводники первого рода, в основном серебро, металлы платиновой группы и некоторые другие, играющие роль катализаторов электродных процессов и токоотводов, на аноде идет реакция 2 H 2 +4O H - -4e- =4 H 2 O, а на катоде – O 2 +2 H 2 O+4e- =4O H - .

Суммарный процесс соответствует реакции горения водорода: 2 H 2 + O 2 =2 H 2 O.

Батарея топливных элементов с устройствами для подвода топлива и окислителя, вывода продуктов реакции, поддержания и регулирования температуры, называется электрохимическим генератором. Кислородно-водородные генераторы применяются на космических кораблях. Они обеспечивают космический корабль и космонавтов не только энергией, но и водой, которая является продуктом реакции в топливном элементе.

Электролиз

Аккумуляторами называются обратимые гальванические элементы многоразового действия. При пропускании через них электрического тока (зарядке) они накапливают химическую энергию, которую потом при их работе (разрядке) отдают потребителю в виде электрической энергии. Наиболее распространены два вида аккумуляторов: кислотный (свинцовый) и щелочные.

Анод заряженного свинцового аккумулятора состоит из свинца, катод – из диоксида свинца. Металлический тип проводимости PbO2 делает его пригодным для работы в качестве электрода. Электролитом служит раствор H2SO4 (32–39 %), в котором PbSO4 и PbO2 малорастворимы.

Схему аккумулятора можно изобразить так: (-)PbPbS O 4 | H 2 S O 4 |Pb O 2 Pb(+)

Анодный процесс работающего аккумулятора Pb+S O 4 2- -2e- =PbS O 4 , катодный процесс – Pb O 2 +4 H + +S O 4 2- +2e- =PbSO + 4 2 H 2 O.

Таким образом, в свинцовом аккумуляторе осуществляется реакция P b тв +Pb O 2тв +2 H 2 S O 4 зарядка работа 2PbS O 4тв +2 H 2 O.

При зарядке протекает обратная реакция и электроды меняют свои функции: катод становится анодом, а анод – катодом. ЭДС свинцового аккумулятора зависит от отношения активности кислоты и воды: E=2,041+0,059ċlg a H 2 S O 4 a H 2 O .

В процессе работы аккумулятора концентрация кислоты падает, а следовательно, падает и ЭДС. Когда ЭДС достигает 1,85 В, аккумулятор считается разрядившимся. При более низкой ЭДС пластины покрываются тонким слоем PbSO4 и и аккумулятор разряжается необратимо. Во избежание этого аккумулятор периодически подзаряжают.

В заряженном щелочном железо-никелевом аккумуляторе анодом служит железо, катодом – гидроксид никеля (III), электролит – 20%-й раствор KOH: (-)FeFe (OH) 2 |KOH|Ni (OH) 2 Ni (OH) 3 Ni(+)

При работе аккумулятора на аноде происходит окисление железа: Fe-2e- +2O H - =Fe (OH) 2 , на катоде – восстановление гидроксида никеля (III): 2Ni (OH) 3 +2e- =2Ni (OH) 2 +2O H - .

Суммарная активность процесса: Fe+2Ni (OH) 3 зарядка работа Fe (OH) 2 +2Ni (OH) 2 .

В уравнении Нернста для данного аккумулятора под знаком логарифма стоят не концентрации, а произведения растворимости ПР участвующих в этой реакции труднорастворимых веществ: E=0,929+ 0,059 2 ċlg П Р Ni (OH) 3 2 П Р Ni (OH) 2 2 ċП Р Fe (OH) 2 2 .

ЭДС щелочного аккумулятора не зависит от концентрации щелочи, поскольку в выражение под знаком логарифма входят постоянные величины.

Аналогично работают щелочные кадмий-никелевый и серебряно-цинковый аккумуляторы: Cd+2Ni (OH) 3 =Cd (OH) 2 +2Ni (OH) 2 , Zn+2AgOH=Zn (OH) 2 +2Ag.





 

© Физикон, 1999-2015