7.3. Химические источники тока

Химические источники тока. Устройства, в которых хими-ческая энергия окислительно-восстановительных реакций непос­редственно преобразуется в электрическую энергию. Действие химических источников тока основано на пространственном раз-делении окислительных и восстановительных реакций, происхо-дящих на электродах. Примером химических источников тока являются гальванические элементы.

Гальванический элемент. Химический источник электричес-кого тока, работающий за счет прямого превращения химической энергии в электрическую. На электродах гальванического элемента протекают окислителъно-восстановителъныереакции, причем процесс окисления пространственно разделен от процесса восстановления. Схема гальванического элемента представлена на рис. 50, где цинко-вый и медный электроды находятся в растворе своих сульфатов.

140

141

эдс=/,/&

ZnSO* CuSO,,

( [ Z л ²* J = / лоль/л) ( [ Са^г *] - Гполь/л) Zn~Zn²'*Zi Си^г**гё—Си

Рис. 50. Схема гальванического элемента

На электроде из более активного металла (Zn) протекает процесс окисления, на медном электроде- процесс восстанов-

ная черта обозначает электролитический контакт между элект-родами, который препятствуя смешению электролитов, одно-временно обеспечивает возможность протекания электрического тока во внутренней цепи гальванического элемента. При замыка-нии внешней электрической цепи, получаемым соединением электродов, электроны от цинкового электрода переходят к мед-ному электроду. Это приводит к нарушению первоначальных рав-новесий, в результате чего будут протекать процессы окисления на цинковом и процессы восстановления на медном электродах, обеспечивая поддержание их потенциалов. Такое самопроизволь-ное протекание окислительно-восстановительного процесса и обуславливает работу гальванического элемента.

Аккумуляторы. Химические источники тока многократного применения, работа которых основана на обратимых окислитель-но-восстановительных реакциях.

Одна из реакций, осуществляемая за счет внешнего источ-ника постоянного тока, обеспечивает превращение электрической энергии в химическую (энергию химической реакции) и накопление последней. Этот процесс называется “зарядка” аккумулятора. Об-ратная реакция обеспечивает протекание электрического тока во внешней цепи за счет превращения накопленной химической энер-гии в электрическую. Данный процесс называется “разрядка” ак-кумулятора. После разрядки работоспособность аккумулятора

восстанавливается вновь за счет процесса зарядки. На практике широкое применение получили кислотные и щелочные аккумуля-торы. Например, для кислотных свинцовых аккумуляторов общее уравнение, отражающее протекающие в них процессы, имеет вид:

разряд PbO₂ + 2H₂SO₄ + Pb <=> 2PbSO₄ + 2H₂O

Кислотные а!ш_Умуляторы³А^кумуляторь1, в которых в каче-стве электролита используются растворы кислоты. В широко приме-няемых свинцовых аккумуляторах электролитом служит серная кис-лота (оо= 30- 40 %) c плотностью 1,20+- 1,30 г/см³. Электродвижу-щая сила кислотных аккумуляторов зависит от концентрации кис-лоты. На практике концентрацию кислоты определяют по ее плот-ности: чем ниже плотность, тем меньше концентрация и работос-пособность кислотных аккумуляторов. Состав используемой кисло-ты указывается в электрохимической схеме кислотных аккумулято-ров. Например, схема для свинцового аккумулятора имеет вид: PbfH₂ SO₄r|PbOJPb

Щелочные аккумуляторы. Аккумуляторы, в которых элек-тролитом является раствор щелочи. Например, щелочной желез-

раствор КОН. Заряд и разряд происходят в результате реакций:

заряд Fe(OH)₂ + 2Ni(OH)_? <=> Fe + 2NiOOH + 2H₂O, разряд 0

что соответствует восстановлению Fe(II) доFe и окислению Ni(II) до Ni(III) при заряде и обратным процессам при разряде. Преимущество щелочных аккумуляторов по сравнению со свинцовым кислотным аккумулятором в том, что они имеют больший срок службы.