Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 97
Текст из файла (страница 97)
Можно сказать, что если до замыкания элемента мы имеем электроды из цинка н меди, то после длительной его работы электродами являются цинк и водород. Но электродный потенциал водорода на 0,34 В ниже потенциала меди (см. табл. 17), 454 злектРический ТОк В злектголитах Гл хтчп поэтому ЭДС элемента по мере его работы снижается от начального значения около 1,1 В приблизительно до 0,8 В. Изменение электродных потенциалов при наличии тока называется поляризацией электпродое. Вредное влияние поляризации можно предотвратить, подбирая должным образом состав электродов и электролитов. Неполяризующиеся электроды мы имеем в рассмотренном выше элементе, в котором положительный электрод из меди находится в растворе Сп304.
На медном электроде происходит выделение той же меди, и поляризация не возникает. Цинковый же электрод (находящийся в растворе Хп304) при работе элемента постепенно растворяется, и его состав также не меняется. Скола КОЛЬ Если поляризация происходит вследствие выделения водорода на положительном электроде то ее можно устранить, применяя 1 — ',." „' — 34пОЛ электроды, являющиеся сильны<<"< ми окислителями (химическая деполлризпцил). Широко рас— ул пространенный элемент с химической депсшяризацией показан на рис. 333. Его отрицательным электродом является цинк, а положительный электрод состоРяс 333.
Гальваннческнй элемент ит из угольного стержня, окрус химической деполярнзацней женного спрессованной смесью перекиси марганца МпОэ с графитом (для увеличения электрической проводимости). Электролитом служит паста, содержащая водный раствор хлористого аммония НН4С). ЭДС такого элемента несколько меньше 1,5 В, Перекись марганца является сильным окислителем и поэтому одновременно служит деполяризатором.
Выделяющийся водород вступает в реакцию, в результате которой образуются молекулы воды: 2Н+ Мп03 -э Н30 + МпО, а водород в свободном состоянии не выделяется. Топливные элементы. В гальванических элементах эпоргня, выделяемая в химических реакциях, непосредственно превращается в энергию электрического тока Этот процесс обладает гораздо ббльшнм коэффнцнентом полезного действия, нежели применяемый в обычных электростанциях, где теплота реакции (горенне топлива) сначала превра<лается (с большими потерями) в механическую работу двнгатоля, а уже работа двигателя преобразуется в электрическую энергию. Однако стоимость электрической энергии, получаемой от гальванических элементов, значительно выше стоимости энергии от электростанций, $ 196 !гАПРяжение РАзлОжения электРолитА 455 так как в элементах расходуется не дешевое топливо !например, уголь), а дорогостоящие вещества (например, цинк).
Неоднократно предпринимались попытки использовать в гальванических элементах реакцию горения угля 2С -е Ог = 2СО. Эта реакция сопровождается выделением тепла О = 3,87. 10 Джггкмоль и может дать ЭДС !для углерода Е = 4) Н вЂ” = '. -1В О 3,87 10 Ы 9,05 1ог 4 Такие попытки не привели к удовлетворительным результатам, так как уголь при обычных температурах обладает малой химической активностью. Поэтому приходится строить элементы, работающие при высоких температурах !300 — 1000 С) и содержащие в качестве электролита различные расплавленные соли. На поддержание же высокой температуры нужно затрачивать большую энергию, и такие элементы оказываются в конечном счете невыгодными, Однако, используя другие виды топлива, это можно сделать при нормальной (или слегка повышенной) температуре. Устройства, в которых энергия химической реакции между топливом и окислителем непосредственно превращается в электрическую энергию, получили название шопливнь~ а элементов.
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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
