les19 (1154141)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

ЛЕКЦИЯ 19ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА (ХИТ)План лекции1. Классификация химических источников тока. ПреимуществаХИТ. Основные характеристики ХИТ. Требования ксовременным ХИТ.2. Первичные источники тока - гальванические элементы.Примеры основных применяемых «батареек». Процессы наэлектродах.3. Аккумуляторы: свинцовые кислотные, никель-кадмиевые, литийионные. Процессы на электродах. Расчет ЭДС.4. Топливные элементы (ТЭ).

Кислородно-водородный ТЭ. Процессы наэлектродах. Расчет ЭДС. Классификация ТЭ. Электрохимическиеэнергоустановки.5. Выводы.Классификация ХИТХИТ подразделяются на:Первичные, или гальванические элементы – одноразового действия;работают, пока есть запас активных реагентов. Процессы на аноде и катоде –необратимые.Вторичные, или аккумуляторы – работают в режиме заряда-разряда.Выдерживают большое число циклов.

При разряде работают как источниктока, при заряде – как электролизер. Процессы на электродах – обратимые.Топливные элементы – работают, пока подводятся реагенты (топливо иокислитель) к электродам. Работают как источник тока. Реагенты хранятсявне ТЭ.ИСТОЧНИКИ ТОКАТопливныеэлементыгальваническиеэлементыАккумуляторыХИТ одноразовогодействияРаботает, пока естьзапас реагентовРаботают в режимезаряда-разрядаПри разряде –источник тока; призаряде электролизерРаботают, покаподводятсявещества кэлектродамПреимущества ХИТ :автономность - возможность использования в космосе и под водой,в переносных устройствах , медицине, на транспорте и т. п.;высокий КПД;бесшумность;относительная безвредность (экологичность).Основные характеристики ХИТЭДС ЕЭ – электродвижущая сила равна разности равновесныхпотенциалов катода и анода.

ЕЭ = Ек- ЕаОпределяется термодинамикой процессов в ХИТ.Еэ = ΔG/nF ; Еэ0 = ΔG0/nF - основные формулыНапряжение U,(В) - всегда меньше ЭДС : U= ЕЭ - ∆E - I(R1+R2)При разряде напряжение элемента постепенно снижается.Чем меньше изменение напряжения, тем лучше элемент.Емкость элемента Q,(Кл, А.ч) – количество электричества, котороеХИТ отдает при разряде. Зависит от массы запасенных реагентов в элементеи от степени их превращения.

При увеличении I ↑ и снижении Т ↓снижается степень превращения и емкость ↓.Удельная емкость q,(А.ч/кг) – емкость, отнесенная к единице массы илиобъема элемента. Более высокую q можно получить в элементах с малой Мэ.Энергия элемента W,(Вт.ч) – равна произведению его емкости нанапряжение. W= Q. UУдельная энергия w,(Вт.ч/кг или м3) - энергия, отнесенная к единицемассы или объема элемента. Используется для сравнения элементов.Т.К. с увеличением ↑I падает U , то W и w ↓уменьшаются.Более высокую w можно получить в элементах с малой Мэ ,большой ЭДС ивысокой степенью превращения реагентов.Мощность элемента P(Вт) – энергия, отдаваемая за единицу времени.Р = U.IР = UI =( ЕЭ – ΔE – IR).IВсе факторы, повышающие напряжение элемента, увеличивают егомощность.

Зависимость мощности от тока проходит через максимум.Удельная мощность (Вт/кг или м3) – мощность, отнесенная к массе илиобъему элемента.Сохраняемость – срок хранения ХИТ,характеристики остаются в заданных пределах.втечениекоторогоегоТребования к современным ХИТ :Возможно большая величина ЭДС;Возможно меньшее отклонение напряжения от ЭДС при разряде;Большая удельная емкость ;Максимально высокая удельная энергия;Максимально высокая удельная мощность;Максимально низкий саморазряд (потеря емкости ХИТ приразомкнутой цепи за счет протекания побочных реакций); Хорошая сохраняемость (для гальванических элементов) идлительный ресурс (для топливных элементов и аккумуляторов).Гальванические элементы - первичные элементы.Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно всостав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы.Может работать непрерывно или с перерывами.

После расхода реагентовэлемент не может больше работать. Таким образом, это источник токаодноразового действия.Пример:«Сухой» марганцево-цинковый элемент- широко применяется для питания радиоаппаратуры, аппаратуры связи,магнитофонов, карманных фонарей и др.Анод - цинковый электрод (1),катод - электрод из смеси диоксида марганца с графитом (МnО2+С) (3),токоотвод - графит (4);электролит - паста из раствора хлорида аммония NH4Cl с загустителем илибумага, пропитанная раствором NH4Cl (2).Рис. 7.12Устройство первичного элемента МnО2 - Zn с солевым электролитом:1 - цинковый анод; 2 - электролит; 3 – катод (МnО2+С); 4 – графитовыйтокоотвод катода; 5 - пространство для сбора газов; 6 - крышка; 7 уплотнение; 8 - стойка; 9 - футляр; 10 - дноСхема элемента:(-) Zn | NH4Cl| MnO2 , С (+)На аноде - окисление цинка: Zn + 2NH4 +-2e→Zn(NH3)22++2H+,на катоде - Мn(IV) восстанавливается до Мn(III):2MnO2 + 2H+ + 2e → 2MnOOHСуммарное уравнение токообразующей реакции:Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = Zn(NH3)2Cl2 + 2MnOOHЩелочной марганцево-цинковый элемент - такой же элемент, но с щелочным электролитом.

Его характеристикилучше.(-) Zn | КОН | MnO2 , С (+)На аноде - окисление цинка: Zn + 2OH --2e→ Zn(OH)2 =ZnO+H2O,на катоде - Мn(IV) восстанавливается до Мn(III):MnO2 + H2O + e → MnOOH+ OH-Элементы с литиевыми анодами– разработаны в последние десятилетия. Большой прогресс, так какимеют существенно более высокие характеристики, особенно при низкихтемпературах.Электролиты – обязательно неводные (пропиленкарбонат ПК,тионилхлорид и др.), так как в присутствии воды или кислорода литийбыстро окисляется. Необходима полная герметичность при изготовлении ииспользовании.Катодные материалы – на основе MnO2, FeS2, CFx, SOCl2Преимущества: стабильное напряжение, высокая удельная энергия,длительная сохраняемость, способность работать при отрицательных Т (до 50оС).Применение: электронная аппаратура, часы, портативные ЭВМ,кинокамеры, медицинские приборы, военная техника.ПРИМЕР:(-) Li | LiAlCl4 ,SOCl2 | SOCl2 (+)Токообразующая реакция:2SOCl2 + 4Li → S + SO2 + 4LiClНа аноде - окисление лития:Li –e → Li+,на катоде - восстановление тионилхлорида SOCl2 :2SOCl2 +4е→S + SO2 + 4Cl-Параметры первичных элементовЭлектрохимическая системаZn|NH4Cl|MnO2Zn|KOH|MnO2Zn|KOH|O2,CZn|KOH|AgOLi|LiClO4|MnO2Li|LiAlCl4|SOCl2РаствориСрднее,ВтельнапряжениеВода1,3-1,1Вода1,3-1,1Вода1,25-1,1Вода1,6-1,5Пропилен3,0-2,8КарбонатSOCl23,5-3,0УдельнаяВт.ч/кг45 – 6065-90100-200110-130150-300энергияВт.ч/м3100 -130150-210300-500200-300300-600Сохраняемость,годы0,5-2,01.5-3.02-32-35-10300-600500-11005-10Аккумуляторы – вторичные ХИТВ аккумуляторах под воздействием внешнего источника токанакапливается (аккумулируется) химическая энергия (заряд аккумулятора),которая затем самопроизвольно переходит в электрическую (разрядаккумулятора).При заряде аккумулятор работает как электролизер,при разряде - как гальванический элемент.Процессы заряда-разряда аккумуляторов осуществляются многократно.Свинцовые кислотные аккумуляторы.Наиболее распространены в настоящее время: стартерные, стационарные.Электролит - раствор Н2SО4 (поэтому «кислотный»).Электроды - свинцовые решетки с активной массой из РbSО4, разделеныраствором Н2SО4 и пористыми сепараторами.(Решетки вначале заполняются оксидом свинца, который привзаимодействии с Н2SО4 превращается в РbSО4).Аккумуляторы соединяют в батарею, которую помещают в баки из эбонитаили полипропилена.Процессы на электродах.При работе аккумулятора на отрицательном электроде протекают реакции,при которых степень окисления свинца меняется от +2 до 0 и обратно:заряд+2РbSO4 + 2eразряд0Pb + SО42; Е0Рb/PbSО4 = - 0,36 В,Отрицательный электрод: при заряде –катод;при разряде – анод.На положительном электроде степень окисления свинца меняется от +2 до +4и обратно:+2заряд +4РbSO4 + Н2ОразрядPbО2 + SО42 + 4Н++ 2e;ЕРbО2/PbSО4 = 1,68 В.Положительный электрод: при заряде – анод;при разряде – катод.Суммарная реакция в аккумуляторе:зарядРb + PbО2 + 4Н+ + 2SО42 ;2РbSO4 + 2Н2ОразрядЭДС аккумулятора= разности потенциалов электродов, может быть рассчитана по уравнениюEЭ  EPbO2/PbSO 4  EPbSO 4/Pb  EЭ0 RTln2Fa 4  a 2 2H SO24aH 2Oгде Е0э = Е0РbО2/РbSО4 – Е0РbSО4/Рb = 1,68 В - (- 0,36) В = 2,04 В.Еэ – зависит от концентрации H2SO4, оптимум -32-39%При заряде Uзаряда=ЕЭ + ∆E + I(R1+R2) Uзаряда >ЕЭПри разряде Uразряда=ЕЭ - ∆E - I(R1+R2) Uразряда< ЕЭДостоинства свинцового аккумулятора:высокий КПД (около 80 %), высокая ЭДС, относительно малое ееизменение при разряде, простота и невысокая цена.Недостатки свинцовых аккумуляторов:небольшая удельная энергия, саморазряд аккумулятора при хранении ималый срок службы (2 - 5 лет).Используются стартерные и стационарные свинцовые аккумуляторы.Щелочные никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы.Положительный электрод содержит гидроксид никеля, отрицательныйэлектрод - соответственно кадмий или железо.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций