Министерство  образования Российской Федерации

Уфимский  Государственный Авиационный Технический  Университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

по химии

на  тему:

«Химические источники тока

с водными растворами»

        
 
 
 
 

                                Выполнил: Соколов С.Ю.

             Проверил: Белоногов В.А. 

       
 
 
 
 

Уфа – 2001 
 

Содержание:

стр.

1. Введение           3
2. Основные понятия         4
3. Химические источники тока с водными растворами:

А) Марганцево-магниевые  элементы      7

Б) Резервные  водоактивируемые элементы и батареи  с магниевыми анодами           8

В) Нормальные элементы        11

Г) Химические источники тока с органическими  реагентами  12

4. Заключение          15
5. Список использованной литературы      16

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение

   Химические  источники тока (ХИТ) являются преобразователями химической энергии в электрическую. Во время работы (разряда) в них происходит химическая реакция взаимодействия двух реагентов. Энергия этой реакции выделяется в виде энергии постоянного электрического тока.

   Преобразование  химической энергии в электрическую происходит и в других установках, например в энергоблоках тепловых электростанций или в дизель-электрических агрегатах. В них энергия горения топлива превращается сначала в тепловую энергию (в топке, камере сгорания), затем – в механическую (в турбине, цилиндре двигателя внутреннего сгорания) и лишь после этого – в электрическую энергию (в электрическом генераторе). В отличие от такого многоступенчатого процесса в ХИТ энергия преобразуется непосредственно, одноступенчато, без промежуточного образования других видов энергии.

   Таким образом, химический источник тока – это устройство, в котором энергия химической реакции непосредственно превращается в электрическую энергию.

   Существует  много вариантов ХИТ, отличающихся размерами, конструктивными особенностями и природой протекающей в них токообразующей реакции. В зависимости от варианта меняются показатели и эксплуатационные свойства. Такое разнообразие вполне оправдано, так как ХИТ используются в различных условиях и каждая область применения имеет свои специфические особенности.

   ХИТ состоит  из одной или нескольких единичных  ячеек – гальванических элементов. Напряжение отдельного такого элемента невысокое – в зависимости от варианта оно колеблется от 0,5 до 4 В. Когда требуются более высокие напряжения, необходимое число элементов соединяется последовательно в гальваническую батарею.

   По  принципу работы гальванические элементы (и ХИТ в целом) делятся на группы:

   А) первичные элементы (элементы одноразового действия, иногда называемые гальваническими элементами или просто элементами). В первичных элементах заложен определенный запас реагентов, вступающих в реакцию; после израсходования этого запаса (после полного разряда) первичные элементы теряют работоспособность;

   Б) аккумуляторы (элементы многоразового действия, перезаряжаемые, вторичные или обратимые элементы). Аккумуляторы после разряда допускают повторный заряд путем пропускания тока от внешней цепи в обратном направлении; при этом из продуктов реакции регенерируются исходные реагенты.

   В) топливные элементы. В топливные элементы в процессе работы непрерывно подводятся новые порции реагентов и одновременно удаляются продукты реакции, поэтому они могут разряжаться непрерывно в течение длительного времени. 
 

2. Основные  понятия

   Химические реакции, протекающие в химических источниках тока

   А) Токообразующие реакции

   Основой работы ХИТ является химическая реакция  взаимодействия окислителя и восстановителя. Примером окислительно-восстановительной  реакции является взаимодействие окиси  серебра (окислитель) с металлическим цинком (восстановитель):

   Ag2O + Zn → 2Ag + ZnO;    (1)

в ходе этой реакции  электроны переходят от цинка  к ионам серебра, находящимся  в кристаллической решетке окиси  серебра.

   Если  проводить реакцию (1) в колбе, тщательно  смешав окись серебра с тонким цинковым порошком, то никакой электрической энергии не образуется, несмотря на электронные переходы между частицами; так как в реакционной смеси электронные переходы имеют неупорядоченный характер, вся энергия реакции выделится в виде тепла и реакционная смесь сильно разогреется. В ХИТ такая же реакция протекает более организованно, по электрохимическому механизму, в результате чего возникает электрический ток.

   В простейшем случае гальванический элемент состоит  из двух электродов различной природы, погруженных в электролит. Здесь и дальше термином «электролит» обозначается жидкая или твердая фаза с ионной проводимостью (например раствор или расплав соли). Иногда в этот термин вкладывают другой смысл: вещество, которое в обычном состоянии не имеет ионной проводимости, но приобретает ее в результате диссоциации на ионы после растворения или после плавления (например, твердая соль, которая может образовывать «раствор электролита» или «расплав электролита»). Электродами называют электронные проводники, электрически соединенные с одним из выводов гальванического элемента и контактирующие с электролитом. На так называемой фазовой границе раздела между электродом и электролитом протекает электрохимическая реакция. Обычно электроды – это металлические пластинки или сетки, на которые нанесены реагенты (активные вещества, т.е. вещества, непосредственно участвующие в токообразующей реакции): на один электрод – окислитель, на другой – восстановитель. Например, электроды серебряно-цинкового элемента состоят из металлических сеток, на одну из которых нанесена окись серебра, на вторую – цинк; электролитом служит водный раствор КОН.

   При погружении электродов в электролит между ними устанавливается определенная разность электрических потенциалов, называемая напряжением разомкнутой цепи (НРЦ) Uр,ц. Более отрицательным будет потенциал электрода с восстановителем, так как у него сильнее тенденция к отдаче электронов. В серебряно-цинковом элементе, например, Uр,ц = 1,60 В, причем отрицательным электродом является сетка с цинком, а положительным – сетка с окисью серебра.

   Если  соединить оба электрода между  собой с помощью внешней проводящей цепи, то через нее из-за наличия  НРЦ начнется переток электронов от отрицательного электрода к положительному, что равносильно прохождению электрического тока I  в обратном направлении (электрический ток условно рассматривается как движение положительных зарядов). Одновременно на погруженных в электролит поверхностях электродов начинаются реакции: на отрицательном электроде цинк окисляется

   Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2 e,                      (2)

а на положительном  – окись серебра восстанавливается

                                Ag2O + H2O + 2e → 2 Ag + 2 OH-.                  (3)

   Такие химические реакции, в которых участвуют  или в ходе которых в металле образуются свободные электроны, называют электрохимическими или электродными реакциями. Обе электродные реакции являются сопряженными – их скорости всегда равны, т.е. количество электронов, освобождающихся в единицу времени в одной из них, равно количеству электронов, вступающих за то же время в другую.

   Электродные реакции поддерживают продолжительный  переток электронов во внешней цепи. Ионы ОН-, образующиеся в результате реакции (3) вблизи положительного электрода, переходят по электролиту к отрицательному электроду, где вступают в реакцию. Таким образом, в целом получается замкнутая электрическая цепь. Во всех ее звеньях течет один и тот же электрический ток; нигде заряды не накапливаются. Как только внешняя цепь размыкается, протекание обеих электродных реакций прекращается. Ток прекращается также после израсходования запаса хотя бы одного из реагентов.

   Суммарная реакция на обоих электродах –  общая токообразующая реакция – совпадает с (1). В ХИТ она протекает в виде двух пространственно разделенных частичных (парциальных) реакций. Электрический ток образуется вследствие того, что прямой хаотический электронный перенос между реагентами заменен пространственно организованным процессом: от частиц восстановителя электроны поступают сначала на отрицательный электрод, затем через внешнюю цепь на положительный и только оттуда – на частицы окислителя. Работа переноса зарядов во внешней цепи и производится за счет электрической энергии, генерируемой ХИТ.

   Протекание  окислительно-восстановительной реакции по описанному электрохимическому механизму стало возможным благодаря тому, что в конструкции ХИТ соблюдены два основных принципа: а) реагенты – окислитель и восстановитель – пространственно разделены между собой, что приводит к пространственному разделению электродных реакций; б) каждый из реагентов контактирует с электролитом, что позволяет протекать электродным реакциям и одновременно обеспечивает замкнутость общей цепи, необходимую для беспрепятственного прохождения тока.

   Серебряно-цинковый источник тока, о котором говорилось выше, является примером аккумулятора – после разряда он может быть вновь заряжен пропусканием тока в обратном направлении. При этом электродные реакции (2) и (3), а также суммарная реакция (1) протекают в направлении справа налево: окись цинка на отрицательном электроде восстанавливается, а серебро на положительном – окисляется.

   Электродные реакции, легко протекающие как  в одну, так и в другую сторону, называют обратимыми. Наличие беспрепятственной обратимой работы электродов является предпосылкой для создания хороших аккумуляторов.

   Электрохимические ячейки. Устройство из двух электродов, контактирующих с ионопроводящим электролитом, называют электрохимической ячейкой. Если электроды разные, между ними имеется отличное от нуля НРЦ. В связи с этим возможны два направления прохождения тока через ячейку: естественное, когда во внешней цепи ток течет от положительного к отрицательному электроду, и вынужденное, когда под действием постороннего (внешнего) напряжения ток течет в обратном направлении. Первый случай соответствует разряду ХИТ, т.е. процессу, при котором ХИТ отдает энергию во внешнюю цепь (ячейка является гальваническим элементом), второй – их заряду, т.е. процессу превращения электрической энергии в химическую энергию активных веществ, а также процессу электролиза (электролизная ячейка).

   Электрод, на котором протекает окислительный  процесс (с выделением электронов) и  через который, следовательно, ток  переходит из внешней цепи в электролит, называют анодом, а второй электрод с обратным направлением тока, на котором протекает восстановительный процесс, – катодом. Соответственно электродные реакции окисления и восстановления называют анодными и катодными реакциями.

   При разряде  ХИТ анодом является отрицательный  электрод, катодом – положительный. При заряде ХИТ, а также при работе электролизеров анодом, наоборот, является положительный электрод, а катодом – отрицательный. Таким образом, термины «анод» и «катод» привязаны не к полярности электродов (положительный или отрицательный), а к направлению тока. Поэтому этими понятиями следует пользоваться с осторожностью.

   Электрохимические системы. Совокупность активных веществ – окислителя и восстановителя – и электролита, на основе которых создан ХИТ, называют электрохимической системой. Электрохимическая система определяет не только природу токообразующей реакции, но и ряд характерных показателей ХИТ.