2.3 Законы электролиза (законы Фарадея)
Количество вещества (m), восстановленного на катоде и окисленного на аноде, пропорционально количеству прошедшего электричества (Q) и химическому эквиваленту (Э):
где F=96500 кулон (постоянная Фарадея).
Зная, что Q = I. t, где I - сила тока, t - время прохождения тока, можно записать:
ПРИМЕР 2.8 Ток силой 10 ампер пропускали через раствор сульфата меди 2 часа. Определить массу выделившегося металла.
3. Химические источники тока
В принципе для получения электрической энергии можно использовать любую окислительно-восстановительную реакцию. Для этого надо разделить процессы окисления и восстановления и провести их отдельно на электродах.
Устройства, вырабатывающие электрический ток за счет энергии окислительно-восстановительной реакции, называются химическими источниками тока.
Простейшим примером химического источника тока может служить медно-цинковый гальванический элемент Даниэля-Якоби. В других широко применяемых гальванических элементах используются не два электролита, как в медно-цинковом, а один, что удобнее в эксплуатации. Эти элементы относятся к первичным источникам тока, так как они предназначены для одноразового использования (или в несколько приемов). После разряда такие элементы к дальнейшей работе непригодны.
Вторичные химические источники тока допускают многократное их использование - аккумуляторы. Они характеризуются обратимостью: после разрядки их работоспособность может быть восстановлена пропусканием тока от внешнего источника в обратном направлении (электролиз).
Аккумуляторы - приборы, которые служат для накопления химической энергии, превращающейся по мере необходимости в электрическую.
Превратив с помощью электролиза электрическую энергию в химическую, можно получить эту энергию обратно, если использовать элемент в качестве гальванического. Анод аккумулятора при разряде служит катодом при зарядке. Аккумуляторы бывают кислотные и щелочные.
3.1 Свинцовый (кислотный) аккумулятор
Свинцовый (кислотный) аккумулятор состоит из свинцовых пластин в виде решеток или рам с ребристой поверхностью. Отверстие в пластинах заполнено пастой из оксида свинца PbO и воды. Эти электроды опускаются в раствор 30-35 % серной кислоты H2SO4 c плотностью 1.25 - 1.30 г/мл. Концентрация кислоты может изменятся в зависимости от условий работы, Например, у аккумуляторов, применяемых в автомобилях эта концентрация зимой больше, чем летом. При этом происходит реакция:
PbO + H2SO4 => PbSO4 ↓ + H2O
Образующийся сульфат свинца PbSO4 нерастворим и остается на поверхности электрода.
ЗАРЯДКА АККУМУЛЯТОРА. Анод цепи аккумулятора соединяют с анодом генератора постоянного тока, а катод с катодом генератора. При этом происходят реакции:
К (-) PbSO4 + 2 е => Pb0 + SO42 - на катоде образуется губчатый свинец Pb и концентрация кислоты увеличивается.
А (+) PbSO4 + SO42 - 2 е => Pb (SO42-) 2. Образующаяся на аноде соль Pb (SO42-) 2, подвергается гидролизу:
Pb (SO42-) 2 + 4 H2O => Pb (OH) 4 + H2SO4
Pb (OH) 4 => PbO2 + 2 H2O
Или суммарно: Pb SO4 + 2 H2O - 2 е => PbO2 + 2 H2SO4.
В результате на одной пластине образуется губчатый свинец (катод аккумулятора), на другой - пористый PbO (анод аккумулятора).
Образовался гальванический элемент:
(-) Pb | H2SO4 | PbO2 (+).
При соединении металлическим проводником - РАЗРЯДКА:
K (+) PbO2 + 2 e + 4 H+ + SO42 - = > PbSO4 + 2 H2O(-) Pb0 - 2 e + SO42 - = > PbSO4.
Или суммарно:
ЭДС = 2 вольта. Напряжение меньшее 1.85 В недопустимо, при этом аккумулятор портится и считается разряженным.
Схема зарядки и разрядки свинцового аккумулятора:
Применяется в автомобилях, тракторах, электрохимических лабораториях. Недостаток - большая масса. Выгодно отличаются от свинцового - щелочные аккумуляторы: они более просты в уходе, у них больше срок службы и меньше масса. Используются для питания телефонных, телеграфных станций, радиоустановок и др.