1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (811201), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Такое превращение осуществляется в гальванических элементах, некоторые нз них уже широко применяются на практике (например батарейки для карманного фонаря или аккумуляторы). Гальваннческие злемеиты Известно, что электрическая энергия может быть почти полностью (за исключением потерь, обусловленных необратимостью) превращена в механическую работу илн в другие формы энергии, поэтому можно считать, что гальванические элементы до некоторой степени обеспечивают возможность превращения химической энергии непосредственно в работу. В гальванических элементах в тепло превращается лишь небольшая часть освобождающейся химической энергии. Основная же часть хи- мической энергии непосредственно переходит в электрическую, что в корне отличается от процессов, протекающих в тепловых машинах, где освобождающаяся химическая энергия предварительно полностью превращается в тепло.
Если пользоваться языком кинетической теории, то эту мысль можно выразить следующим образом. В гальванических элементах химическую энергию (потенциальную и кинетическую энергию упорядоченного движения частиц, соответствующего данной структуре) не нужно вначале полностью превращать в энергию хаотического движения, чтобы потом и лишь ценою огромных потерь хотя бы частично упорядочить движение частиц и, следовательно, получить работу. Электрическая энергия есть энергия направленного, то есть в основном упорядоченного движения электронов (илн ионов), которая теоретически без потерь может быть переведена в работу, обусловленную упорядоченным движением других частиц. 5 2, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Переход электронов как исягочник электрической энергии Поскольку каждая химическая связь и каждое химическое превращение зависит от движения внешних электронов атомов, то в мире атомов и молекул каждое химическое явление сопровождается изменением состояния электрически заряженных частиц.
В обычных химических процессах зто изменение закшочаегся в том, что электроны переходят от одного атома к другому, соседнему. Такие изменения, происходящие в атомных масштабах, означают либо возникновение, либо перемещение химических связей - оии проявляются не как электрические феномены, а как химические превращения. Если мы, например, погрузим цинковый стержень в раствор. сернокислой меди, то медь из раствора будет осаждаться иа цинке, окрашивая его поверхность в красноватый цвет, а цинк в виде ионов -переходить в раствор.
Сернокислая медь в водном растворе практически полностью днссоциирована, поэтому такой химический процесс описывается следующим уравнением: Уп+ Спгв+ БОвг + Сп+ е,пг + БОвг' . Так как сульфат-ионы в этой реакции остаются неизмеинымн, уравнение можно записать в виде: Еп+ Спг'-+Епг'+ Си (2) Сущность данного процесса состоит в том, что в растворе ионы ме- 188 дн, оказавшиеся в результате теплового движения вблизи поверхности цинкового стержня, отнимают от близлежащих атомов цинка два электрона.
Атом цинка превращает~я в ион и переходит с поверхности металла в раствор, в то время как ион меди становится нейтральным атомом, который не растворим в воде и поэтому осаждается на внешней поверхности цинка (рис.б2). Этот процесс протекает в две Фазы: 1. Атомы цинка отдают электроны: Ул -+Епз+ + 2е- 2. Ионы меди забирают электроны: Сны+ 2е--+Сп . ' Даже в этом простом процессе выделяется электрическая энергия, однако она проявляется только на атомарном уровне. Если мы хотим получить макроскопический электрический ток прн переходе электронов от мерве бз провеее венинввев- таллического цинка к ионам меди, мы должны ~вн вовке ' Рве'ново" добиться того, чтобыцннкотдавалсвоиэжкеервоквеноа венк: троны более отдаленным ионам меди н - вннн и .
р~„е тем, которые находятся с ним в непосредствен- л;о- нр ее ° вве - ном контакте, Для этого необходимо, чтобы ннееенен знененее. электроны перетекали от цинка к меди по внешнему проводнику, создавая тем самым электрический ток. Для осуществления превращения химической энергии в макроскопнческн используемую электрическую энергию нужно пространственно разделить процессы отдачи н приема электронов. Элемент Даниэля Работа гальванических элементов основана на пространственном разделении процессов приема н отдачи электронов. Рассмотрим один нз наиболее старых гальванических элементов - элемент Даниэля.
Ои состоит из цинкового электрода, погруженного в раствор сернокяслого цинка, н медного, погруженного в раствор сернокислой меди. Оба раствора разделены цилиндром яз пористого материала. Схематически конструкцию этого элемента можно представить следующим образом: (-)Еп~ ЕпЗОе - раствор ~ Си304 - раствор~ Си(+) ккал при всех условиях превращаются в тепло. Таким образом, коэффициент непользования химической энергии в гальванических элементах может достигать почти 90%. Хотя процессы в них не являются обратимымн, но все же некоторые из этих элементов прн практическом использовании работают с гораздо большей степенью обратимости, чем другие устройства, производящие энергию.
Когда-то элемент даниэля применялся на практике для получения электрической энергии. С точки зрения современных требований он не пригоден дла производства больших количеств электрической энергии, в частности потому„что используемые в нем материалы (медь и цинк) слишком дороги для этих целей. Важнейшей задачей исследований в области гальванических элементов является разработка такого элемента, в котором использовались бы дешевые и имеющиеся в достаточном количестве материалы, а процессы протекали бы возможно ближе к обратимым. Некоторые свойства гааьваническик элементов Прежде всего установлено, что принципиально нельзя создать гальванический элемент, состоящий из одних только меташгов, Ь В месте контакта двух металлов возникает разность потенциалов, причем ее величина остается неизменной независимо от того, соприкасаются ли эти металлы непосредственно или между ними находится любое количество пластин из других металлов (правило Вольта).
Например, в месте контакта медного и цинкового стержней возникает разность потенциалов Щ но она не может вызвать электрический ток. Бели бы мы соединили указанный медный стержень с цинковым при помощи медного провода (рис.бЗ,а), то никакого электрического тока не появилось бы, так как в месте контакта медного провода с цинковым стержнем возникла бы разность потенциалов той же величины, что и в месте контакта медного и цинкового стержней, но противоположного знака (-6). Таким образом, во всей замкнутой цепи разность потенциалов суммарно равнялась бы нулю (Е-Я=О).
Однако ток не потечет и в том случае, если между медью и цинком мы поместим еще и другие металлы (ге, РЬ). Прн этом разность потенциалов между цинком и медью не изменится (рнс.б3,6)„так как, согласно упомянутому правилу Вольта, Я~ + Ез + Яз =Я. Чтобы получить гальванический элемент, необходим по крайней мере один электролит, то есть такое вещество, через которое ток протекает вследствие миграции положительных и отрицательных ионов.
Можно составить гальванические элементы, содержащие один электролиты. Однако все применяемые на практике гальванические элементы состоят из электролитов и металлов. В каждом гальваническом элементе имеются два металлических электрода (полюса), мощу которыми возникает разность по- 191 т енциалов (напряжение). Если соединить оба электрода проводником, то в нем по'пу течет электрический ток. Источником электрической энергии в гальванических элементах являются химические превращения, происходящие в тех местах, где электролит соприкасается с металлическими электродами. р .
Рпс. 63. Развеете петеоооееео Элекгродвижущаи сила (при ооспмпвоя температуре) Одним из важнейших показателей о прп ооемчепоп мпозу помп гальванического элемента является разяруппс метеаеее% ность потенциалов (напряжение) между его полюсами. Это,напряжение называется электродаижущей силой (эдс). С точки зрения термодинамики величина эдс зависит от свойств материалов, концентрации электролита, температуры электродов и электролита н не завйситеот' формы, величины, внутреннего сопротивления элемента и тд.
Какие же факторы определяют величину работы, получаемой при помощи гальваничеасого злементау Если полюса гальванического элемента просто соединены проводом, то вся освобождающаяся в химическом процессе энергия полностью переходит в тепло. Если же присоединить к полюсам гальванического элемента соответствующий электродвигатель постоянного тока, то вся зта система в целом будет производить работу. С помощью системы, состоящей из гальванического элемента, электромотора и соответствующих механических приспособлений, можно, например, поднять на определенную высоту груз„причем произведенная элементом работа будет зависеть от веса груза фис.64).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
