Химические источники тока

Введение

 

Химические источники  тока (ХИТ) – это устройства, в  которых энергия химической реакции  непосредственно превращается в  электрическую энергию.

Основу химических источников тока составляют два электрода (анод, содержащий окислитель, и катод, содержащий восстановитель), контактирующих с  электролитом. Между электродами  устанавливается разность потенциалов  — электродвижущая сила, соответствующая  свободной энергии окислительно-восстановительной  реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой  внешней цепи пространственно разделённых  процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны  переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они  участвуют в реакции восстановления окислителя.

В настоящее время ХИТ используются почти во всех областях техники и народного хозяйства. Количество отдельных первичных элементов и аккумуляторов, изготавливаемых ежегодно во всем мире, исчисляется миллиардами. Это обусловлено рядом их эксплуатационных преимуществ – независимостью от посторонних источников тепла или излучения, постоянной готовностью к действию. Работают бесшумно, широкие диапазоны электрической мощности.

Современное производство ХИТ  представляет собой самостоятельную  отрасль электротехнической промышленности. Отдельные типы ХИТ выпускаются  в массовом масштабе на высокопроизводительном оборудование при высокой степени  механизации и автоматизации.

 

 

 

 

1 История создания

Первый химический источник тока был изобретён итальянским  учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Он предложил идею батареи из медных и цинковых кружков, переложенных сукном или картоном, смоченным раствором гидроксида калия. Впоследствии названой «Вольтов столб» (рисунок 1) .

Рисунок 1 – «Вольтов столб»

 В 1801 г. В.В.Петров в Петербургской медико-хирургической академии соорудил «Вольтов столб» из 4200 кружков, переложенных бумагой с раствором нашатыря, с помощью которого открыл и изучил явление электрической дуги.

В 1835 году М.Фарадей опубликовал «Некоторые практические указании по вопросу конструирования гальванической батареи и пользования ею».

В 1836 году появление элемента Даниэля-Якоби.

Рисунок  2 – Элемент  Даниэля – Якоби.

Гальванический элемента Даниэль - Якоби (рис.2)  состоит из медной пластины, погруженной в раствор CuS0₄, и цинковой пластины, погруженной в раствор ZnS0₄. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой. На поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Zn↔Zn²⁺ + 2e^-

В результате протекания этого  процесса возникает электродный  потенциал цинка. На поверхности  медной пластины также возникает  двойной электрический слой и  устанавливается равновесие:

Cu↔Cu²⁺ + 2e^-

Возникает электродный потенциал меди. Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, поэтому при замыкании внешней цепи, т. е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, электроны будут переходить от цинка к меди. В результате перехода электронов от цинка к меди равновесие на цинковом электроде сместится вправо, поэтому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместится влево и произойдет разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании  внешней цепи возникают самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделения меди на медном электроде. Данные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы электродов или не растворится весь цинк (или не высадится на медном электроде вся медь).

Итак, при работе элемента Даниэля - Якоби протекают следующие процессы:

1) Реакция окисления цинка. Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называют анодами;

2) Реакция восстановления ионов меди. Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называют катодами;

3) Движение электронов во внешней цепи;

4) Движение ионов в растворе: анионов к аноду, катионов к катоду.

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней  цепи и ионов внутри элемента, то есть электрический ток, поэтому суммарная химическая реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей.

После создания элемента Даниэль-Якоби  количество предложенных вариантов  первичных элементов начало бурно  расти.

В 1859 году французский физик  Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный  аккумулятор. Он предложил накапливать электрическую энергию с помощью двух свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты. Дальнейшее усовершенствование свинцовых аккумуляторов связано с работами Фора, начавшего в 1881 г. наносить на свинцовые пластины пасту из оксидов свинца, и Фолькнера, в 1884 г. заменившего свинцовые гладкие пластины свинцовыми решетками.

В 1865 году французский химик  Ж. Лекланшел предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В России первые аккумуляторы были изготовлены в Минном офицерском классе в Кронштадте в 1884 г. под руководством Η. Ф. Иорданского и Е. П. Тверитинова. До Великой Октябрьской социалистической революции промышленность ХИТ в России была представлена в основном мелкими предприятиями, более крупные из которых принадлежали иностранным фирмам. После Великой Октябрьской социалистической революции производство ХИТ пришлось создавать заново, и оно превратилось в крупную, хорошо развитую отрасль промышленности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Основные характеристики  ХИТ

Основные характеристики ХИТ — количество энергии, которое  можно от них получить и напряжение, при котором они работают. Напряжение при разряде зависит от ЭДС  применяемой электронной пары, от разности потенциалов электродов при отсутствии отбора от них тока, от поляризации электродов при работе (от изменений потенциалов электродов при отборе от них тока) и от падения напряжения на преодоление внутреннего омического сопротивления ХИТ. Величина ЭДС обусловлена свойствами активных материалов электродов, составом и концентрацией электролита и температурой ХИТ. С ростом температуры ЭДС, как правило, немного возрастает.

Напряжение при разряде  U_p:

                                             U_р = E - E_пол                                                                (1)

где Е — ЭДС, В;

E_полр — поляризация электродов при разряде, В;

I — сила тока при разряде, А;

r — омическое сопротивление аккумулятора, Ом.

Напряжение разряда в  сильной степени зависит от конструктивных и технологических особенностей источника тока, температуры и  других многочисленных факторов.

Во время разряда ХИТ  при постоянном токе и при неизменных прочих условиях обычно наблюдается  постепенное снижение напряжения во времени. Типичные зависимости Uр(τ) – разрядные кривые.

 

 

 

 

 

 

 

Довольно быстрое падение  напряжения часто наблюдается в  самом начале разряда (особенно у  свежезаряженных аккумуляторов). В таких случаях иногда условно за начальное напряжение Uнач принимают более устойчивое значение, измеренное через установленный промежуток времени.

Падение напряжения в конце  разряда может быть резким или  постепенным. После достижения определенного  конечного напряжения Uкон разряд приходиться прекращать, даже если при этом реагенты еще не полностью не израсходованы. Конечное напряжение выбирают в зависимости от особенностей аппаратуры потребителя. Если допустимый диапазон напряжений мал, необходимо ограничивать глубину разряда источника тока.

Удобным для расчета электрической энергии является среднее напряжение U в данных условиях разряда, которое определяется как среднее арифметическое значение напряжений, измеренных через равные интервалы времени в течение разряда:

 

 

         Напряжение при заряде U₃:

                                                    U_з = E + E_пол +Ir                                            

Поляризация при разряде  возникает в силу ряда причин. Основная — это пассивация электродов, из-за которой при разряде потенциал  положительного электрода становится отрицательнее, а отрицательного —  положительнее, чем в отсутствие тока. Пассивация, в первую очередь, происходит из-за покрытия поверхности  активных масс пленками, плохо проводящими  ток. В ряде случаев (например, у железного  электрода) это тончайшая пленка кислорода или оксидов, иногда пленка состоит из слоя трудно растворимых солей (например, в свинцовом аккумуляторе). Как известно из курса теоретической электрохимии, на потенциалы электродов и ЭДС влияет концентрация электролита, с которым соприкасаются электроды. При разрядах и зарядах ХИТ из-за участия ионов в химическом процессе и переносе тока часто происходит местное (локальное) изменение концентрации электролита непосредственно у поверхности электродов и в их порах. Эти изменения концентрации электродов изменяет их потенциалы: появляется концентрационная поляризация. При разряде она так же, как и пассивация, снижает напряжение ХИТ и при заряде увеличивает его. Если произошло общее изменение концентрации электролита в сосуде, то и после прекращении разряда в отсутствие тока ЭДС может быть ниже, чем была до разряда (например, в свинцовых аккумуляторах).

При заряде поляризацию, увеличение потенциалов электродов по сравнению  с потенциалами в отсутствие тока, вызывают концентрационные явления (концентрационная поляризация) и необходимость преодолевать замедленный характер некоторых  стадий электрохимического процесса (перенапряжение).

Чем большую плотность  тока требуется создать на электродах, тем быстрее должны происходить  процессы на них. Для ускорения процессов  приходится затрачивать энергию, что  и проявляется в возрастании  потенциалов и напряжения.

Электрическая энергия, получаемая при разряде ХИТ, равна:

 

 

Максимальное количество электричества, которое ХИТ отдает при полном его  разряде, называется разрядной емкостью С. Соответственно максимальная энергия, получаемая при  полном разряде, называется энергозапасом. Естественно, что разрядная емкость  и энергозапас зависят от количества реагентов, заложенных в источнике  тока. Чем больше его количество, тем дольше может поддерживаться токообразующая реакция и тем больше емкость и энергозапас.

Под номинальной емкостью С⁰ и номинальным энергозапасом понимают параметры, относящиеся к номинальному режиму разряда и гарантируемые изготовителем.

3 Типы химических источников тока

По возможности или  невозможности повторного использования  химические источники тока делятся:

гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости  протекающих в них реакций, невозможно перезарядить;

электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с  помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;

топливные элементы (электрохимические  генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической  реакции подаются в него извне, а  продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать  непрерывно.

3.1 Гальванический  элемент

Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Гальванический элемент представляет собой замкнутую систему, состоящую из двух гальванических полуэлементов (гальванических пар).

Гальванические элементы – это источники тока, в которых  вещества, образовавшиеся в процессе разряда, не могут быть превращены в  исходные активные материалы. Поэтому  ГЭ – это первичные элементы, или ХИТ одноразового действия.

Активные компоненты закладываются  в них заранее, и срок работы ГЭ определяется запасом активных компонентов. После расхода активных компонентов  ГЭ выходит из строя.

Типы гальванических элементов

Стремление преодолеть трудности, вызванные утечкой раствора электролита  из таких элементов, как элемент  Даниэля -  Якоби, послужило толчком  к разработке сухих элементов. Удобство таких портативных источников тока заключается в том, что все их составные части представляют собой твердые или пастообразные вещества, упаковка которых предотвращает их попадание на окружающие предметы.