1598005409-d822585ccc08cc47a0cab5184af6a524 (Химические источники тока. Учебное пособие. Под ред. В.Н. Варыпаева, 1990u), страница 2

Интенсивные научно-исследовательские, опытно-конструкторские и технологические работы привели к созданию новых ХИТ, в которых нашли применение не только оригинальные электродные материалы и электролиты. но н принципиально иные конструктивные решения. Общее количество аккумуляторов и элементов, выпускаемых ежегодно во всех странах мира, исчисляется миллиардами штук. Основную часть их составляют ХИТ примерно десяти электрохнмнческих систем.

Значительно большее число систем относится к источникам тока, которые выпускаются в ограннчецных количествах нли находятся в стадии разработки. Уровень электрических н эксплуатационных характеристик современных ХИТ высок, а сфера их практического применения чрезвычайно многообразна. По мнению известного советского электрохнмнка проф. В, С. Багоцкого, «ни один другой тип источников электроэнергии не обладает таким разнообразием возможностей использования и такой универсаль- ностьюэ РАЗДЕЛ ! ОСНОВЫ ТЕОРИИ. КОНСТРУКЦИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА Долгое время теория химических источников тока отставала от прикладных работ по созданию новых образцов ХИТ. Не было ясности даже с механизмом элементарных токообразующих реакций.

Так, независимо от состава электролита и материала катода единственной электрохимнческой реакцией на положительном электроде считали восстановление Н+ или Нз0 до Нз. Рост поляризации при разряде ХИТ объясняли поэтому накоплением газообразного водорода на электродной поверхности, а роль окислителя в составе раствора или электрода (который назвали чдеполярнзаторомэ) сводили к реакции взаимодействия его с водородом,поскольку поляризация при этом уменьшалась. Современная теория ХИТ исходит из приоритета первичных электрохимических реакций.

Например, прн разряде элемента системы 2п~2п$04 НХОз~Р1 образование диоксида азота вызвано непосредственным восстановлением азотной кислоты по реакции НМО+Н++а-- Мох+ НО а не вторичной химической реакцией деполяризации водородного электрода: 1ЙНа+ ННОз-~ ХОз+ НзО Роль вторичных процессов существенна в тех случаях, когда разряд протекает по механизму растворение — осаждение с образованием труднорастворимых солей или гидроксидов, кристаллизующихся иа электродной поверхности.

При всем многообразии электрохимическнх систем 9 ХИТ представляется методически важным выделить общие принципы их теории, классификации, конструкции, эксплуатации, что и составляет содержание данного раздели. Глава ! вопросы повии хмт Образование электрической энергии при работе химического источника тока происходит за счет убыли свободной энергии Гиббса токообразующего электрохимического процесса. Протекание в электрохимической системе электрического тока возможно при соблюдении следующих условий: наличия двух электродов, характеризующихся электронной проводимостью и различающимися потенциалами; жидкого или твердого электролита с ионной проводимостью; металлического проводника, образующего внешнюю цепь.

Кинетики электродных токообразующих реакций подчиняется общим закономерностям электрохимической кинетики, известным из курса теоретической электрохимии, Гэ ХИТ чаще используют пористые электроды, для которых процесс разряда (как правило, нестацианарный) лимитируется преимущественно ростом концентрационной поляризации, а перенапряжение электрохимической стадии невелика, Диффузионные ограничения возникают в порах электродов не сразу и по мере разряда усиливаются.

Менее типичным является процесс, протекающий в условиях смешанной актнвациониа-диффузионной кинетики. 1.!. Терммиопогия Химическим источником тока называют устройство для непосредственного превращения химической энергии активных веществ в электрическую энергию«. Генерирование постоянного электрического така происходит в результате протекания на электродах электрохи- ' Речь идет об электрохнмнческом источнике электрической эисргнк, однеко обмсоркнятыи яеляется термин «химический источник тока», ынческих реакций, Электрохнмнчески активные вещества могут находиться в зоне токообразующнх реакций в различном физическом состоянии: твердом (цинк, дноксид свинца, хромнд меди н др.), жидком (гидразин, азотная кислота, расплавленный натрий и др.) нлн га- + лообразном (кислород, водород, хлор и др.).

Простейшая модель ХИТ представ- 1 яяет собой элементарную злектрохимическую ячейку (рис. 1.1) с правнль- 3 но разомкнутой электрохнмнческой Рнс. !.!. Модель кнннческого нсточннкк тока: 1 — отрппательпык алептроп( у — положателаппк алектроа; Л вЂ” сепаратор (лаафратпан С- растаор плептролпта; 5 - корпус (аоста! цепью, характерной для химических источников тока. Процесс перехода химической энергии в электрическую, нли разряд источника тока, происходит прн замыкании внешней электрической цепи на омическое сопротивление в результате одновременного протекания двух электродных реакций, электроокислигельной (анодной) с освобождением, илн генернрованием, электронов и электровоссгановигельной (катодной) с поглощением электронов. Источник тока, состоящий нз одной электрохнмической ячейки, называют гальваническим элементом, нли элементом.

Группа элементов образует гальваническую батарею, нлн батарею. Согласно определению батарея— зто два н более элемента, соединенных между собой последовательно илн параллельно для совместного производства электрической энергии (ГОСТ 15596 — 82). Основные и допустимые обозначения элементов и батарей, принятые в электрическихсхемах,показаиы иа рис. 1.2, а, б, в.

Следует отметить, что знаки полярности ХИТ на схемах часто опускают. Гу основе любого химического источника тока лежит электрохимическая система вида ( — )А1 Раствор эньктролнтн 1К(+) Электролиты у отрицательного н положительного электродов могут различаться по составу и концентрации, например: Ен ! Хн80с , 'Сн80с ! Сп (! Форма записи соответствует положительному значению напряжения системы: слева указан отрицательный электрод (цинк), справа — положительный (медь).

В наименовании же источника тока первым принято называть положительный электрод: медно-цинковый элемент. а (у ь Рнс. 1.2, Схемные иаоаражеииа химических источников тока: а — элемент (оба нэображеннн равноненнып б — батврев нэ последовательно аклмеенных элементов (пнжнее нэображенне допустимо); а — батарея с отводамн Запись электрохимнческой системы ХИТ, хотя исоответствует неправильно разомкнутой электрохнмнческой цепи, является общепринятой. Она указывает на основные потенцналопределяющне компоненты (активные вещества) электродов и электролита ХИТ в исходном заряженном состоянии и не должна содержать информацию о промежуточных продуктах реакции.

Нет необходимости указывать и различные добавки, вводимые с определенной целью .н электрод или электролит. Поэтому из двух вариантов записи систем серебряноцинкоаого и марганцево-циикового элементов Хп1 КОН(АяО н Еп)КОН, Ка[Еп(ОН)е)1АяаО, АяО Еп 1 ННеС11 МпОк н Хп 1 (ЧНеС!. ЕпС1а,СаС1а 1 МпОк варианты записи слева являются полиымн и достаточными, а справа — избыточными, так как демонстрируют промежуточные продукты разряда [окснд серебра (1), цннкат калия) н специальные добавки в электролит (хлориды цинка н кальция). В ХИТ используют системы как с обратимымн, так и необратимыми электрохимическими реакциями. Если хотя бы на одном из электродов окнслительно-восстановительный процесс протекает необратимо, то такой источник тока называют первичным химическим источником тока. Он способен обеспечить лишь один не- прерывный или прерывистый разряд, поскольку электрохимическая необратимость не дает возможности привести разряженные электроды (или один из ннх) в.исходное состояние.

В наименовании этих элементов н батарей слово «первичный» обычно опускают, например ртутно-кадмневый элемент, воздушно-цинковая батарея. Вторичные химические источники тока, или аккумуляторы (аккумуляторные батареи), создают на основе систем с обратимо работающими электродами н могут быть использованы многократно. Для втого разряженный аккумулятор подвергают заряду — поляризации от внешнего источники постоянного токи, при котором на положительном электроде реализуется анодная реакция окисления, а на отрицательном — катодная реакция восстановления.

В результате активные вещества приходят в исходное состояние. При переходе от разряда к заряду положительный электрод (катод) становится анодом, а отрицательный электрод (анод) — катодом. Такое чередование отражает сущность электрохимнческих реакций н делает нецелесообразным использование терминов «катод» и «анод» применительно к аккумуляторным электродам. йЛ. Процесс разряда Рассмотрим принцип действия источника тока на примере электрохнмической системы Еп ~ КОН(НиО. Токообразующнй процесс при замыкании внешней электрической цепи такого элемента сводится к реакциям: ( — ) ха+ 2он — яао + н О+ 2 (+) нко+но+хе — ня+20н— Следовательно, генерирование электронов проясходнт прн окислении восстановителя (в данном случае цинка),на отрицательном электроде, поглощение же электронов на другом конце цепи протекает при восстановлении окислителя (в данном случае оксида ртути) на положительном электроде.