С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 96
Текст из файла (страница 96)
Они отличаются от гальванических элементов тем, что реагирующие вещества хранятся не внутри устройства, а подаются в него извне ва время работы. Примером электрохимичсского генератора может служить водородно- кислородный генератор Он имеет пористые угольные или никелевые электроды, находящиеся в растворе КОН, через когарые вводятся газообразные водород и кислород.
На отрицательном !водородном) электроде протекает реакция 2Нг 4- 4ОН -з 4НгО+ 4е а на положительном !кислородном) электроде — реакция Ог -Р 2НгО+4е -г 40!Г. Суммарная реакция есть 2Нг-Р Ог -з 2НгО, т.е. реакция сжигания водорода. ЭДС одного элемента такого генератора равна 1,23 В. Электрохимические генераторы как безмашинные устройства с высоким КПД представляют большой принципиальный интерес. Однако они находятся еще в стадии разработки и применяются пока для специальных целей. 3 196. Напряжение разложения электролита Поляризация электродов происходит не только в гальванических элементах, но н прн всяком электролизе, если выделяющиеся вещества отличны от материала электродов.
Поляризацию при электролизе можно наблюдать прн разложении серной кислоты. Если через электролнтнческую ван- 456 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ ГЛ ХЪ'П1 ну, содержащую раствор НЗБ04 и два платиновых электрода (рис. 334 а), пропускать в течение некоторого времени ток, то на электроде, соединенном с отрицательным полюсом источника, будет осаждаться водород, а на другом электроде — кислород.
По мере накопления этих газон их парциальное давление будет возрастать, и когда оно сделается равным атмосферному давлению, нач ч чнется выделение газов в виде пузырьков. Если теперь отключить источник р1 р1 4 — тока, то оба электрода ока- жутся покрытыми газами, п1604 — -.=- — - - -:- и мы получим гальваниче- ский элемент у которого Н 1 -= — . один из электродов состоит из водорода, а другой— из кислорода. ЭДС такого элемента равна 1,23 В. Если рис.
ЗЗ4. поляризация при электролизе ТЕПЕРЬ ЗаыхиутЬ ЭЛЕКТРОДЫ, то в цепи появится ток, направление которого будет противоположно направлению тока при электролизе (рис. 334 б), а водород и кислород будут переходить обратно в раствор в виде ионов. Когда израсходуется накопленный запас обоих газов, ЭДС снова станет равной нулю и ток в цепи прекратится. ЭДС поляризации влияет на процесс электролиза. Положим, например, что мы производим разложение раствора соляной кислоты НС1 и пользуемся платиновыми электродами. Тогда на электродах будут выделяться газы Нз и С)г и появится соответствующая им ЭДС поляризации.
Если приложенное напряжение невелико, то, когда ЭДС поляризации станет равной внешнему напряжению, ток в цепи прекратится и электролиз приостановится. Если постепенно повышать напряжение, то будет увеличиваться и парциальное давление газов на электродах, а вместе с ним и ЭДС поляризации. Когда парциальное давление газов достигнет атмосферного, начнется их выделение в виде пузырьков, после чего количество газов на электродах уже не будет изменяться и ЭДС поляризации достигнет своего максимального значения. Оно равно потенциалу хлора относительно водорода; согласно табл. 17 это составит +1,3 В. После достижения этого напряжения в электролите появится ток, который будет увеличиваться с увеличением напряжения, и начнется выделение веществ на электродах.
По указанным причинам зависимость силы тока через электролит от приложенного к электродам напряжения приблизи- 457 1 197 АККУМУЛЯТОРЫ тельно имеет вид, изображенный на рис. 335, и выражается формулой (19б.1) где г — сопротивление столба электролита. Пороговое значение напряжения у', начиная с которого происходит выделение веществ на электродах, называется напрловхнием раалоясенил электролита. В рассмотренном примере с НС1 напряжение разложения равно ЭДС поляризации. Однако в некоторых случаях напряжение разложения может превышать ЭДС поляризации.
Это явление получило название перенапряжения при электролизе. Так,например, разложение раствора серной кислоты (см. рис. 334) начинается не с напряжения 1,23 В, а с напряжения 1,64 В. Явление перенапряжения объясняется особенностями процессов нейтрализации электролитических ионов на злек- У рд . Од * .буд 1 1 останавливаться. Таким образом, чтобы выделить ио- Рис. Зэб. Зависимость вы определенного сорта из раство- сипы пка черен ра, необходимо приложить напряжение, напряжения между алек- компенсирующее их стремление перейти традами (схематически) обратно с электрода в раствор. Для разных ионов это напряжение неодинаково, что позволяет отделять различные вещества друг от друга.
Так, например, из табл. 17 видно„что ионы меди имеют меньшее стремление перейти в раствор, нежели ионы цинка. Поэтому, если в растворе имеются и ионы меди, и ионы цинка, то выделение меди начнется при меньшем напряжении. Чтобы выделить цинк после удаления меди из раствора, необходимо дополнительно увеличить напряжение на электролитнческой ванне. Этим обстоятельством пользуются при электролитической очистке металлов. $ 197. Аккумуляторы Электролитическая поляризация получила важное техническое применение в аккумуляторах, или, иначе, вторичных элементах. Аккумуляторы представляют собой гальванические элементы, у которых после их разрядки возможен обратный процесс зарядки с преобразованием электрической энергии в химическую, т.е.
аккумуляторы пропускают в течение определенного времени ток от постороннего источника (зарядка аккумулятора). ЗлвкТРИЧЕСКИй ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ гл хчш Наибольшее распространение получил свинцовый, или кис- лотный, аккумулятор. В простейшем виде он состоит из двух свинцовых электродов, находящихся в растворе серной кисло- ты. При погружении электродов в кислоту на них образуется сернокиглый свинец РЬБ04 и раствор насыщается той же со- лью При зарядке аккумулятора на его электроде, соединенном с положительным полюсом источника, свинец окисляется в пе- рекись РЬОз, а второй электрод превращается в чистый свинец, в результате чего получается элемент ( — )РЬ раствор НзБ04, РЬО,(+).
насыщенный РЬБОА При разрядке аккумулятора его положительный полюс постепенно раскисляется и на нем происходит вновь образование РЬБОА, который появляется также и на отрицательном электроде. Суммарная реакция, выражающая конечные продукты химических превращений в аккумуляторе, имеет вид разрядка РЬОз + РЬ+ 2НзБ04~~2РЬБОя + 2НзО. При зарядке аккумулятора появляются дополнительные молекулы кислоты, поэтому концентрация кислоты увеличивается. При разрядке концентрация кислоты уменьшается. ЭДС свинцового аккумулятора в самом конце зарядки достигает 2,7 В. При разрядке она уменьшается сначала быстро, до значения около 2,2 В, а затем очень медленно, приблизительно до 1,8б В.
Дальнейшую разрядку аккумулятора производить нельзя, так как при этом его электроды покрываются толстым слоем трудно растворимого РЬБ04 и аккумулятор портится. Аккумуляторы характеризуются, помимо ЭДС, емкостью, т.е. величиной заряда, отдаваемого при разрядке. Она измеряется в ампер-часах и, очевидно, тем больше, чем больше поверхность электродов. Для увеличения емкости электроды аккумуляторов отливают в виде пластин с многочисленными ячейками наподобие пчелиных сот и в ячейки запрессовывают окислы свинца. Затем вновь изготовленные аккумуляторы подвергают нескольким зарядкам и разрядкам (формовка аккумуляторов), отчего поверхность электродов разрыхляется.
После зарядки отрицательный электрод восстанавливается до металлического свинца, а положительный электрод окисляется до РЬОз. Наряду со свинцовыми аккумуляторами в настоящее время применяют еще желкзо-никелевые, или щелочпые, аккумуляторы, которые отличаются меньшим весом при равной емкости. Они имеют один электрод из железа, а другой — из никеля, а электролитом служит раствор едкого калия КОН. В заряженном 459 1 199 КОНТАКТНАЯ РАЗНООТЬ ПОТБНЦИАЛОВ состоянии анодом у этих аккумуляторов служит гидрат окиси никеля %(ОН)з, а катодом -- железо.
Их ЭДС вЂ” около 1,3 В Существуют и другие типы аккумуляторов. ГЛАВА Х1Х ЭЛЕКТРИ"ВЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ При соприкосновении двух проводников электроны вследствие теплового движения переходят из одного проводника в другой. Если соприкасающиеся проводники различны или если их температура в разных точках неодинакова, то оба потока диффузии электронов неодинаковы и один из проводников заряжается положительно, а другой — отрицательно. Поэтому внутри проводников и во внешнем пространстве между проводниками появляется электрическое поле. В состоянии равновесия внутри проводников устанавливается такое поле, которое как рзз компенсирует разность потоков диффузии Существованием этих электрических полей обусловлен ряд электрических явлений в контактах, которые рассматриваются в настоящей главе й 198. Контактная разность потенциалов Рассмотрим два различных проводника 1 и 2, находящихся в электрическом контакте (рис. 336).
Температуру проводников будем считать сначала одинаковой Согласно сказанному выше на обоих проводниках появляются электрические заряды, а между оп свободными их концами возникает электрическое поле. Разность потенциалов между любыми двумя точками а и б (рис. 336), находящимися аб вне проводников, но расположенными в непосредственной близости от 2 их поверхностей, называется внеитней хонтахпиюй разностью потен- Рис Ззб При сепринеснееециалов или просто контактной нии двух различных металлов разностью потенци лов.
В даль- вп внешнем простршштее новейшем мы будем ее обозначать че- является электрическое поле, а рез 019=01 — Уг где 111 — потенциал на )шверхности металлов ноэ- 9) Уэ -- вблизи проводника 2 (в точке б). Так как в отсутствие тока поверхность каждого проводника является эквипотенциальной, то эта разность потенциалов, конечно, не зависит от положения 460 ГЛ Х1Х ЗЛБКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ точек а и б, пока одна из них находится у поверхности проводника 1, а другая — у поверхности проводника 2. Обратимся теперь к электрическому полю внутри контактирующих проводников.
Если температура в каждой точке проводника одинакова, то по закону Ома плотность тока 2 внутри однородного проводника есть 1 = АЕ. Так как наша цепь разомкнута (1 = О), то и электрическое поле в любой точке в толще каждого проводника равно нулю, а потенциал внутри него постоянен. Отсюда следует, что электрическое поле внутри проводников может существовать только в тонких пограничных слоях на границах проводник 1 — проводник 2 и проводник 1 (или 2)— вакуум.
Потенциал же на этих границах должен испытывать скачкообразное изменение. Разность потенциалов 012 — = у1 — уг, где 321 — потенциал внутри проводника 1, а 322 — внутри проводника 2, мы будем называть енутренней контактной разностью потсцциалое или контикеинъсм а скачком потен4411ала. 1 Рассмотрим теперь цепь, состо- М ящую не из двух, а из нескольких металлов 1, 2, Я, 4' (рис. 337). Если бы мы ее разрезали по аа, то между свободными концами металлов вб 1 н 2 была бы контактная разность ~112 = ~11 П2 ° "б Аналогично между разрезами аа и бб была бы разность потенциалов Рис 337. При соединении несколькик проводников (1, 2, Я, 4) (123 с'2 с*3> электрическое поле между сво- а у последней пары металлов бодными концами цепи определяется только крайними провод- ~134 ~3 о'4 никами (1 и 4) Так как в плоскостях аа, бб и т.д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
