53. Гальванические элементы. Процессы на электродах. Эдс гальванического элемента.
Устройства, которые применяются для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую энергию, называются гальваническими элементами.
Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительных реакций. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление – на другом.
Гальванические элементы в зависимости от природы электродов и концентрации электролитов разделяют на химические и концентрационные. Химические гальванические элементы – такие элементы, где электроды и электролиты различны. Концентрационные гальванические элементы – элементы, которые состоят из одинаковых электродов, но концентрации электролитов различны.
Рассмотрим гальванический элемент Якоби-Даниэля, состоящий из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди, и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой.
При работе элемента Якоби-Даниэля протекают следующие процессы:
— Реакция восстановления ионов меди.
— Движение электронов во внешней цепи.
— Движение ионов в растворе: анионов к аноду, катионов к катоду. Движение в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.
Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т.е. образуется замкнутая электрическая система и в ней возникает электрический ток, численно характеризующийся величиной ЭДС элемента. Она равна разности электродных потенциалов катода и анода.
54. Обратимые источники электрической энергии. Кислотные и щелочные аккумуляторы.
По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на гальванические элементы, которые из-за необратимости протекающих в них реакций невозможно перезарядить, и электрические аккумуляторы, которые можно перезарядить с помощью внешнего источника тока.
Гальванический элемент – любое устройство, дающее возможность получать электрический ток за счет проведения той или иной химической реакции.
Аккумулятор – химический источник электрического тока многоразового действия.
1) Кислотный аккумулятор: электроды свинцово-кислотного аккумулятора изготавливают заполнением ячеек свинцовой решетки пастой из оксида свинца. Электролит – серная кислота.
Щелочные аккумуляторы бывают двух типов: кадмиево-никелевые и железо-никелевые. И для тех и для других на положительных пластинах используется гидрат окиси никеля. На отрицательных пластинах – смесь кадмия с железом и чистое железо соответственно. Пластины представляют собой стальные никелированные рамки с ячейками, в которые помещается активная масса.
№55. Топливные элементы.
Топливный элемент – это химический источник тока длительного действия, начинающий и прекращающий работу с началом и прекращением подачи активных веществ к электродам. Проходя через пористые электроды, изготовленные из спрессованного графита, и контактируя с электролитом, восстановитель окисляется, а окислитель восстанавливается. Разность электродных потенциалов определяет напряжение элемента. Электролитом может служить раствор кислоты или щелочи, расплав соли. В качестве окислителей берут кислород или воздух, а как восстановители берут водород, горючие газы или жидкости.
Электродные процессы при работе топливного элемента состоят из двух полуреакций окислительно-восстановительной реакции. Например, в водородно-кислородном топливном элементе с раствором щелочи в качестве электролита протекают следующие процессы:
Достаточно высокий КПД. Выгоднее, чем процессы горения, идущие с большими потерями энергии. Экологичность, так как в воздух не выделяются продукты сгорания топлива.
Источник
Гальванический элемент. Эдс гальванического элемента
Рассмотрим простейший гальванический элемент Даниэля-Якоби, состоящий из двух полуэлементов – цинковой и медной пластин, помещенных в растворы сульфатов цинка и меди соответственно, которые соединены между собой посредством электролитического ключа – например, полоски бумаги, смоченной раствором какого-либо электролита. Схематически данный элемент изображается следующим образом:
На поверхности каждого из электродов имеет место динамическое равновесие перехода ионов металла из электрода в раствор и обратно, характеризуемое потенциалом ДЭС (зарядом на электроде q). Если соединить снаружи медный и цинковый электроды металлическим проводником, немедленно произойдет перераспределение зарядов – электроны начнут перемещаться с электрода с более отрицательным зарядом (в нашем случае – цинкового) на электрод с более положительным зарядом (медный), т.е. в проводнике возникнет электрический ток. Изменение величины заряда каждого из электродов нарушает равновесие – на цинковом электроде начнется процесс перехода ионов из электрода в раствор (окисление металла), на медном – из раствора в электрод (восстановление металла); при этом протекание процесса на одном электроде обусловливает одновременное протекание противоположного процесса на другом:
Zn 0 ––> Zn 2+ + 2е — (окисление)
Сu 2+ + 2е — ––> Сu 0 (восстановление)
Электрод, на котором при работе гальванического элемента протекает процесс окисления (отдачи электронов), называется анодом, электрод, на котором идет процесс восстановления (принятие электронов) – катодом. При схематическом изображении гальванических элементов слева записывают анод, справа – катод (стандартный водородный электрод всегда записывают слева). Суммарный окислительно-восстановительный процесс, происходящий в гальваническом элементе, выражается следующим уравнением:
Т.о., гальванический элемент можно определить как прибор для преобразования химической энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую за счет пространственного разделения процессов окисления и восстановления. Работа, которую может совершить электрический ток, вырабатываемый гальваническим элементом, определяется разностью электрических потенциалов между электродами (называемой обычно просто разностью потенциалов) Δ и количеством прошедшего по цепи электричества q:
Работа тока гальванического элемента (и, следовательно, разность потенциалов), будет максимальна при его обратимой работе, когда процессы на электродах протекают бесконечно медленно и сила тока в цепи бесконечно мала. Максимальная разность потенциалов, возникающая при обратимой работе гальванического элемента, есть электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента.
Электродный потенциал. Уравнение Нернста
ЭДС гальванического элемента E удобно представлять в виде разности некоторых величин, характеризующих каждый из электродов – электродных потенциалов; однако для точного определения этих величин необходима точка отсчета – точно известный электродный потенциал какого-либо электрода. Электродным потенциалом электрода ε называется ЭДС элемента, составленного из данного электрода и стандартного водородного электрода (см. ниже), электродный потенциал которого принят равным нулю. При этом знак электродного потенциала считают положительным, если в таком гальваническом элементе испытуемый электрод является катодом, и отрицательным, если испытуемый электрод является анодом. Необходимо отметить, что иногда электродный потенциал определяют как «разность потенциалов на границе электрод – раствор», т.е. считают его тождественным потенциалу ДЭС, что не вполне правильно (хотя эти величины пропорциональны).
Величина электродного потенциала металлического электрода зависит от температуры и активности (концентрации) иона металла в растворе, в который опущен электрод; математически эта зависимость выражается уравнением Нернста (здесь F – постоянная Фарадея, z – заряд иона):
(68)
В уравнении Нернста ε 0 – стандартный электродный потенциал, равный потенциалу электрода при активности иона металла, равной единице. Стандартные электродные потенциалы электродов в водных растворах составляют ряд напряжений. Величина ε 0 есть мера способности окисленной формы элемента или иона принимать электроны, т.е. восстанавливаться. Иногда при низких концентрациях ионов различием между концентрацией и активностью иона в растворе пренебрегают, и в уравнении Нернста под знаком логарифма фигурирует концентрация ионов в растворе. Величина электродного потенциала определяет направление процесса, протекающего на электроде при работе гальванического элемента. На электроде, потенциал которого имеет большее (иногда говорят – более положительное) значение, будет протекать процесс восстановления, т.е. данный электрод будет являться катодом.
Применим уравнение Нернста е элемента Даниэля-Якоби. ЭДС всегда является положительной величиной, она равна разности электродных потенциалов катода и анода:
(69)
Как видно из уравнения (69), ЭДС элемента Даниэля-Якоби зависит от концентрации (точнее, активности) ионов меди и цинка; при их равных концентрациях ЭДС элемента будет равна разности стандартных электродных потенциалов:
Анализируя уравнение (69), можно определить предел необратимой работы гальванического элемента. Поскольку на аноде идет процесс окисления цинка, концентрация ионов цинка при необратимой работе гальванического элемента постоянно увеличивается; концентрация ионов меди, напротив, уменьшается. Отношение концентраций ионов меди и цинка постоянно уменьшается и логарифм этого отношения при [Сu 2+ ] < [Zn 2+ ] становится отрицательным. Т.о., разность потенциалов при необратимой работе гальванического элемента непрерывно уменьшается. При E = 0 (т.е. εCu = εZn) гальванический элемент не может совершать работу. Необратимая работа гальванического элемента может прекратиться также и в результате полного растворения цинкового анода.
Уравнение (69) объясняет также и работоспособность концентрационных цепей – гальванических элементов, состоящих из двух одинаковых металлических электродов, опущенных в растворы соли этого металла с различными активностями а1 > а2. Катодом в этом случае будет являться электрод с большей концентрацией, т.к. стандартные электродные потенциалы обоих электродов равны; для ЭДС концентрационного гальванического элемента получаем:
Единственным результатом работы концентрационного элемента является перенос ионов металла из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Таким образом, работа электрического тока в концентрационном гальваническом элементе – это работа диффузионного процесса выравнивания концентраций, который проводится обратимо в результате пространственного разделения его на два противоположных по направлению обратимых электродных процесса.
Источник