166090 (Хімічні джерела струму)

ЗМІСТ

ВСТУП 2

1. ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ І РОЗВИТКУ ХІМІЧНИХ ДЖЕРЕЛ СТРУМУ 3

2. ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ 14

2.1 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА 14

2.2 ПЕРВИННІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ 16

2.3 ВТОРИННІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ АБО АКУМУЛЯТОРИ 18

2.3.1 СВИНЦЕВИЙ КИСЛОТНИЙ АКУМУЛЯТОР 19

2.3.2 КАДМІЄВО-НІКЕЛЕВИЙ ЛУЖНИЙ АКУМУЛЯТОР 21

2.3.4 СРІБНО-ЦИНКОВИЙ ЛУЖНИЙ АКУМУЛЯТОР 22

2.4 ПАЛИВНІ ЕЛЕМЕНТИ 23

2.5 ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ НА ОСНОВІ НЕВОДНИХ ЕЛЕКТРОЛІТІВ 26

ВИСНОВКИ 30

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА 31

ВСТУП

В сучасному світі широко використовуються багато явищ, що описуються за допомогою фізики і хімії. Вони знайшли своє застосування і стали не аби якими корисними для людства.

Хімічні джерела струму стали рішенням дуже багатьох проблем, а саме, як можна отримувати автономний струм, що отримується з маленьких елементів, відносно дешевий вид отримання струму.

У даній курсовій роботі розглянуто пер за все основні і найголовніші джерела хімічного струму. А саме гальванічні елементи, акумулятори, паливні елементи.

Цікава і історія розвитку хімічний джерел струму, а особливо відкриття Гальвані, яке також описано у курсовій роботі.

Не аби яку цікавість викликають і нові технології по отриманню струму за допомогою хімічних речовин, зараз дуже актуальні елементи з використанням літію, останніми роками ці елементи дуже добре зарекомендували себе. Отже - вивчити найголовніші властивості і принцип дії хімічних джерел струму є мета даної курсової роботи.

1. ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ І РОЗВИТКУ ХІМІЧНИХ ДЖЕРЕЛ СТРУМУ

Автономні (переносні) хімічні джерела струму діляться на первинні (гальванічні елементи) і вторинні (акумулятори). Первинні джерела після їхнього виснаження не заряджаються, а викидаються. Не дивно, що їхня вартість значно нижче, ніж в акумуляторів, що слугують, наприклад, у мобільних телефонах. Однак принцип дії в них один - окислювально-відновна хімічна реакція, при якій електрони, що переходять від відновника до окислювача, і є електричний струм.

До винаходу гальванічних елементів єдиним джерелом електрики були електричні електростатичні машини (назва походить від грецького слова "електрон" - бурштин; зі старовини була відома здатність шматків бурштину заряджатися при терті і притягати легкі предмети). У цих машинах електричний заряд виникає за рахунок тертя. Потім з'явилися індукційні машини, у яких заряди з'являлися на обертовних у протилежні сторони скляних дисках і накопичувалися на двох металевих кулях - розрядниках (такі машини можна побачити й у шкільному кабінеті фізики). Коли напруга на розрядниках перевищує напругу пробою повітря (приблизно 30 кіловольт/див), проскакує іскра і чутний тріск; аналогічне явище у великому масштабі відбувається і при розряді "дійсної" блискавки. Такі машини дозволяли проробляти деякі досліди (наприклад, за допомогою іскри можна було підпалити ефір), однак вони не могли давати електричний струм протягом хоча б декількох секунд.

У 1745-1746 роках німецький фізик Эвальд Юрген Фон Клейст і голландський фізик Питер Ван Мушенбрук, що працювали в місті Лейдене, створили простий прилад, що дозволяє зберігати електричний заряд, отриманий від електростатичної машини. Це був праобраз сучасних конденсаторів, що назвали лейденською банкою. Він теж міг давати тільки короткочасний розряд.

Створенню постійних джерел струму сприяло відкриття, зроблене наприкінці XVІІІ в. італійським професором анатомії Луїджи Гальвані. Гальвані препарував жабу, а неподалік стояла електростатична машина. Коли вістря скальпелю торкнулося стегнових нервів, то, як писав Гальвані, "негайно всі м'язи кінцівок почали так скорочуватися, що здавалися запалими в найсильніші тонічні судороги". Помічник Гальвані помітив, що в цей самий момент між полюсами машини проскочила іскра.

Такі ж результати були згодом отримані і на інших тваринах і не тільки холоднокровних. Електричну машину в досліді з жабою цілком міг замінити розряд у лейденській банці і, як згодом з'ясувалося, атмосферний розряд - блискавка. Гальвані пояснив це незвичайне явище існуванням деякої "тваринної електрики". На його думку, м'язи і нерви утворюють як би дві обкладки лейденської банки і можуть накопичувати електрику. Дійсно, так і відбувається в електричних риб і скатів: у них є досить ємні природні конденсатори. Але це стало відомо набагато пізніше. Гальвані ж, сам того не підозрюючи, передбачив досвіди німецького фізика Генріха Рудольфа Герца, що за допомогою іскри одержав радіохвилі, а потім зміг їх прийняти на відстані декількох метрів. Тільки в Герца приймачем служив дротовий прямокутник - антена з іскровим проміжком (дуже слабкі іскорки в приймачі він спостерігав у темряві за допомогою лупи), тоді як у Гальвані роль антени виконував скальпель, а детектором був нерв жаби.

Однак у деяких досвідах жаб'ячі м'язи скорочувалися без усяких видимих причин: ні грози, ні електричної машини поблизу не було. Виявилося, що це відбувається в тих випадках, коли м'яз і нерв з'єднані металевим дротом, і особливо сильно - якщо цей дріт складений із двох різних металів; сильніше інших діяла пара залізо-срібло.

Розкрити природу відкритого Гальвані явища вдалось італійському фізику Алессандро Вольта. Спочатку він узагалі не повірив Гальвані, але, повторивши його досліди, переконався в тім, що явище дійсне існує. Однак досліди з дротом він пояснив зовсім інакше: електрика виникає при контакті різних металів, а жаба - це просто дуже чуттєвий прилад для виміру і до утворення електрики як такого відношення не має. Дослідницьким шляхом Вольта розташував метали в ряд таким чином, що чим далі один від одного вони в цьому ряді, тим більше сильний ефект роблять. Хіміки з подивом знайшли, що в такому ж порядку змінюється і хімічна активність металів. В даний час цей ряд називається рядом напруг металів або електродних потенціалів. В основних рисах він має вид Lі... Mg... Zn... Fe... Sn... H... Cu... Ag... Au.

Вольта, крім жаби, використовував і інші способи виміру, наприклад, власний язик: він клав на нього золоту чи срібну монету, а під язик - мідну. Як тільки дві монети з'єднували шматочком дроту, відразу ж у роті відчувався кислий смак, знайомий кожному, хто пробував "на язик" контакти батарейки для кишенькового ліхтаря. Щоб підсилити ефект, Вольта з'єднував пари металів послідовно, так що вийшов ланцюжок, названа по імені винахідника "вольтовым стовпом". Спочатку це були чашечки з розчином кислоти, у яку були опущені металеві смужки, потім - кружечки з цинку і міді (чи срібла), розділені прокладками з папера, тканини, що були пропитані розчином лугу або просто розсолом.

Введення в електричний ланцюг розчинів (Вольта назвав їх провідниками другого роду на відміну від металів - провідників першого роду) виявилося вирішальним у винаході Вольта. У пам'ять про Гальвані, що помер у 1798, Вольта назвав свої елементи гальванічними. Незабаром англійський хірург і хімік Энтони Карлейль виготовив вольтов стовп із 36 послідовно з'єднаних цинкових кружків і монет У перших дослідах з батареєю спостерігалося розкладання води з утворенням газів.

Відомий англійський хімік Гемфрі Дэві виготовив вольтов стовп із мідних і цинкових пластинок, розділених водяним розчином аміаку. Перша його батарея складалася з 60 таких елементів, а через кілька років довів їхню кількість до тисячі. За допомогою цієї батареї він провів знамениті досвіди по виділенню нових елементів - лужних і лужноземельних металів.

Ще більш грандіозну батарею побудував за кілька років до Дэві росіянин фізик-самовучка Василь Володимирович Петров. У 1802 році він створив батарею, що складається з 4200 мідних і цинкових пластин. Між металевими кружками прокладалися картонні кружки, просочені розчином хлориду амонію. "Стовп Петрова", на відміну від вольтова стовпа, розташовувався горизонтально в сухих вузьких дерев'яних шухлядках. Уся батарея була складена з чотирьох рядів, кожен довжиною близько 3 м, з'єднаних послідовно мідними дужками. Про важкість роботи з цією батареєю свідчить такий факт: щоб очистити тільки 40 пластин після їхнього окислювання помічнику Петрова було потрібно не менш години! Теоретично така батарея може давати напругу до 2500 вольт. За допомогою цієї гігантської батареї Петров провів безліч дослідів: він розкладав різні речовини, у тому числі органічні, а також оксиди металів - ртуті, свинцю й олова. У 1803 Петров вперше у світі одержав електричну дугу і вказав на можливість її практичного застосування; так, з її допомогою йому вдалося розплавити метали, яскраво висвітлювати великі приміщення.

Протягом XІХ ст. працями фізиків і хіміків була закладена теорія роботи гальванічних елементів; основна заслуга в цьому належить німецькому фізико-хіміку Вальтерові Нернсту. Конструкція елементів також була значно удосконалена. Головний підсумок роботи теоретиків такий: у гальванічному елементі відбувається пряме перетворення хімічної енергії в електричну. Для цього в елементі повинна протікати окислювально-відновна реакція, наприклад, розчинення цинку в кислому середовищі:

Zn + 2H+ = Zn2+ + H2.

Атоми цинку (відновники) віддають електрони:

Zn - 2e = Zn2+,

а іони водню (окислювачі) їхній приймають:

2H+ + 2e = H2.

У гальванічному елементі процеси окислення і відновлення просторово розділені: водень повинний виділятися не на цинку, а на міді. Тоді електрони від цинку до міді будуть переходити не безпосередньо в розчині (у цьому випадку вони губляться без користі), а через зовнішній ланцюг, де можуть робити корисну роботу. Саме так працює елемент Вольта.

Струм в елементі знімається за допомогою двох електродів. Відповідно до прийнятої номенклатури, на одному з них - аноді протікає процес окислення, а на катоді йде відновлення. Тому цинковий електрод гальванічного елементу - це анод, а мідний - катод (при електролізі солей цинку він виділяється на катоді, тому що при цьому цинк не окислюється, а відновлюється: Zn2+ + 2e = Zn; аналогічно при електролізі з мідним анодом мідь окислюється: Cu - 2e = Cu2+, так що визначення катода й анода залишається в силі)

Дія гальванічного елементу припиняється після повного чи часткового використання якогось електроду (наприклад, цинку). Тому що хімічна реакція, що протікає в елементі, не оборотня, його не можна знову "зарядити". Електрорушійна сила елемента (ЭРС) не залежить від розмірів і конструкції електродів, від кількості електроліту, але залежить від природи хімічної реакції, що протікає, від складу і концентрації електроліту. Якщо ці параметри відомі, ЭРС можна розрахувати. Розрахувати можна і теоретичну ємність елемента. Так, за законом Фарадея для розчинення 1 моль цинку потрібно 2 моль електронів, чи 96500 кулонів (ампер-секунд) електрики, чи 26,8 ампер-годин.

Здатність металу переходити в розчин у виді іонів, а також відновлюватися з іонів до металу характеризується його стандартним електродним потенціалом. Ряд, вибудований у порядку зміни потенціалів, називається рядом стандартних електродних потенціалів (при стандартних умовах концентрації всіх іонів рівній 1 моль/л, тиск усіх газів складає 1 атм).

Щоб визначити стандартний електродний потенціал металу, вимірюють ЭРС гальванічного елемента, один з електродів якого - досліджуваний метал, занурений у розчин його солі (при концентрації 1 моль/л), а другий електрод - еталонний (його ще називають водневим). Він виготовлений з дуже пористої губчатої платини й занурений у розчин кислоти (концентрація іонів H+ 1 моль/л); платиновий електрод безупинно оточує газоподібний водень (під тиском 1 атм), що частково розчиняється в платині. Таким чином, всі електродні потенціали - не абсолютні, а відносні, обмірювані для гальванічної пари метал - водень (потенціал стандартного водневого електроду приймають рівним нулю). Визначені в таких умовах потенціали різних металів завжди будуть постійними, вони занесені в усі довідники і приводяться звичайно для температури 250С). Електродні потенціали активних металів, що реагують з водою, отримані непрямим шляхом.

Електродні потенціали записують як потенціали відновлення іонів металів. Найнегативніший потенціал (-3,04 В) - у реакції Lі+ + e = Lі; один з найпозитивніших (+1,68 В) - у реакції Au+ + e = Au. Це говорить про те, що ЭРС гальванічної пари літій-золото (якби така пари могла працювати у водяному середовищі) була б рівною 4,72 В; для розповсюдженої пари мідь-цинк ЭДС значно менше і дорівнює 1,10 В (відповідні потенціали металів рівні - 0,76 і +0,34 В). Для неводних електролітів можна використовувати і лужні метали; так улаштовані, наприклад, літієві елементи (їх застосовують, зокрема, для "харчування" стимуляторів серця) - вони дають ЭРС до 3,5 В. Звичайно, потенціали для неводних розчинів інші.

При роботі гальванічного елемента, коли через нього і через зовнішній ланцюг йде струм, напруга на електродах знижується; це зниження за законом Ома залежить від внутрішнього опору елемента (звичайно воно складає від 1 до 20 Ом) і від сили струму. Для деяких елементів це зниження невелике і не перевищує 0,1 В, для інших може бути значно великим. Стосовно до джерел струму зниження напруги на електродах при роботі елемента називається поляризацією. Вона залежить від хімічної природи і конструкції електродів, від складу і концентрації електроліту, щільності струму, температури. Так називана хімічна поляризація часто спостерігається при виділенні на електродах водню і кисню. Величина такої поляризації в дуже сильному ступені залежить від матеріалу електрода. Наприклад, якщо в елементі Вольта замінити мідний електрод на платиновий, то напруга елемента зросте майже на 0,5 В. Якщо ж замість мідного електрода узяти свинцевий, то напруга, навпаки, упаде приблизно на 0,6 В. Різниця між експериментальним і теоретичним потенціалом електрода для даної концентрації іонів водню і щільності струму називається перенапругою водню на цьому електроді. Поляризація відіграє роль і в процесах електролізу: якби її зовсім не було, розряд іонів водню йшов би вже при дуже малій напрузі на електродах, чого не спостерігається.

В елементі Вольта навіть при незамкнутому зовнішньому ланцюзі все-таки йде окислювально-відновна реакція на межі цинк-кислота (катодами слугують домішки в цинку). Тому це джерело струму на практиці не застосовується. Крім того, що виділяються на мідному електроді і прилипають до нього пухирці водню сильно заважають роботі елемента. На цю обставину в 1836 звернув увагу Джон Фредерік Даніель - британський хімік і метеоролог (він винайшов також вимірник вологості - гігрометр). У його конструкції цинковий електрод занурений у розчин цинкового купоросу (сульфату цинку), а мідний - у розчин мідного купоросу (сульфату міді). У результаті на мідному електроді водень не виділяється, а йде реакція відновлення іонів міді: Cu2+ + 2e = Cu. Щоб обидва електроліти не змішувалися, Даніель розділив їхньою пористою перегородкою з необпаленої глини. Такий пристрій уперше забезпечив тривалу і рівномірну дію гальванічного елемента, а його ЭДС (електрорушійна сила) близька до теоретичного і дорівнює 1,09 В. За цей винахід Даніель був визнаний гідним вищої нагороди Королівського суспільства - золотої медалі Коплі. Незалежно аналогічний елемент був розроблений російським ученим Б.С. Якобі. Цей елемент при порівняльної простої конструкції мав значну ємність і протягом декількох десятиліть застосовувалося як джерело харчування на телеграфі. І в даний час роботу хімічних джерел струму пояснюють на прикладі елемента Даніеля - Якобі.

Інакше вирішили проблему поляризації катода Грені, Бунзен і Гроув. Грені замінив мідний електрод вугільним, а до розчину сірчаної кислоти додав дихромат калію. Дихромати в кислому середовищі - дуже сильні окислювачі, тому водень на катоді просто окислявся до води. В елементі Бунзена вугільний катод був занурений у концентровану азотну кислоту, що знаходилася в пористій керамічній судині, а зовні був цинковий анод у розведеній сірчаній кислоті. Саме елементи Бунзена послужили Ч.М. Холу, що вперше одержав алюміній методом електролізу. У Гроува замість вугільного електрода був платиновий, а цинк Гроув амальгував. Щоб цинк не розчинявся в кислоті в той час, коли такими елементами не користаються, цинковий електрод робили піднімальним.

Значно удосконалив гальванічний елемент і зробив його зручним для практичного використання французький інженер Жорж Лекланше в 1867 Як деполяризатор він використовував діоксид марганцю, що на катоді відновлюється, перешкоджаючи виділенню газоподібного водню:

MnО2 + 4H+ + 2e = Mn2+ + 2H2O. Спочатку електролітом служив водяний розчин хлориду амонію; потім Лекланше став використовувати електроліт, загущений клейстером. Це революційним образом змінило справу: "сухі" елементи Лекланше перестали боятися випадкового перекидання, їх можна було використовувати в будь-якім положенні. Винахід Лекланше мав негайний комерційний успіх, а сам винахідник, закинувши свою основну професію, відкрив фабрику по виробництву елементів.

В даний час елементи Лекланше - найдешевші, і випускаються мільярдами. Цьому сприяє приступність і дешевина сировини: цинк дешевше міді, а MnО2 - найпоширеніша сполука марганцю в природі (мінерал піролюзит). Багаті поклади цієї руди маються в Африці, Бразилії, Мексиці. Активна катодна суміш елементів Лекланше, що оточує вугільний катод, пресується з діоксида марганцю і графіту з добавкою електроліту. Цинкові аноди спочатку робили зі сплаву, що містить свинець, кадмій і досить багато (до 8%) ртуті. Зараз зміст ртуті зведений до мінімуму, а в багатьох елементах ртуті немає зовсім (на них позначено "mercury free"). Вже з перших днів виробництва елементів Лекланше було встановлено, що різні джерела діоксида марганцю сильно впливають на характеристики елемента. Дійсно, відомо принаймні п'ять кристалічних модифікацій Mn2, що розрізняються по властивостях. Найдешевші елементи використовують природний піролюзит, добутий у Гані, чи Габону Мексиці. Уся його переробка зводиться до простого перемелювання і промивання. Щоб одержати більш відтворені результати, використовують чи хімічно електрохімічно модифікований високоякісний MnО2, змішаний з вугільним порошком, а замість хлориду амонію застосовують більш дорогий хлорид цинку - такі елементи звичайно позначають як "heavy-duty", тобто підвищеної потужності. Тепер зрозуміло, чому різні елементи так сильно відрізняються за ціною і якістю.