4.5. Источники превращения энергии химической реакции в электрическую энергию

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), DG_r <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); DG_r =  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)КОН (р-р) О₂(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