Гальваническая ячейка. Принцип работы гальванического элемента. История открытия химического электричества
1. Гальванический элемент
Гальванический элемент - химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. Это первичные ХИТ, которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.
Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой во внешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.
ЭДС определяется природой протекающих в гальваническом элементе процессов. Напряжение гальванического элемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерь сопротивления:
U = Eэ – I(r1–r2) – ΔE,
где Еэ – ЭДС элемента; I – сила тока в режиме работы элемента; r1 и r2 – сопротивление проводников I и II рода внутри гальванического элемента; ΔЕ – поляризация гальванического элемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода). Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой по формуле i = I/S, где S – площадь поперечного сечения электрода, и ростом сопротивления системы.
В процессе работы гальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенно снижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличением концентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах (вспомним уравнение Нернста). Однако чем медленнее снижается напряжение при разряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения на практике. Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, которое гальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке). Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов и степенью их превращения. При увеличении тока разряда и снижении температуры работы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкость элемента снижаются.
Энергия гальванического элемента равна произведению его емкости на напряжение: ΔН = Q.U. Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой и высокой степенью превращения реагентов.
Сохраняемостью называют продолжительность срока хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных параметрах. С ростом температуры хранения и эксплуатации элемента, его сохраняемость уменьшается.
Состав гальванического элемента: восстановителями (анодами) в портативных гальванических элементах, как правило, служат цинк Zn, литий Li, магний Mg; окислителями (катодами) – оксиды марганца MnO2, меди CuO, серебра Ag2O, серы SO2, а также соли CuCl2, PbCl2, FeS и кислород О2.
Самым массовым в мире остается производство марганец–цинковых элементов Mn–Zn, широко применяемых для питания радиоаппаратуры, аппаратов связи, магнитофонов, карманных фонариков и т.п. Конструкция такого гальванического элемента представлена на рисунке
Токообразующими реакциями в этом элементе являются:
На аноде (–): Zn – 2ē → Zn2+ (на практике происходит постепенное растворение цинковой оболочки корпуса элемента);
На катоде (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.
В электролитическом пространстве также идут процессы:
У анода Zn2+ + 2NH3 →2+;
У катода Mn2O3 + H2O → или 2.
В молекулярном виде химическую сторону работы гальванического элемента можно представить суммарной реакцией:
Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.
Схема гальванического элемента:
(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (С) (+).
ЭДС такой системы составляет Е= 1,25 ÷ 1,50В.
Гальванические элементы с подобным составом реагентов в щелочном электролите (КОН) имеют лучшие выходные характеристики, но они неприменимы в портативных устройствах в силу экологической опасности. Еще более выгодными характеристиками обладают серебряно-цинковые элементы Ag-Zn, но они чрезвычайно дороги, а значит, экономически неэффективны. В настоящее время известно более 40 различных типов портативных гальванических элементов, называемых в быту «сухими батарейками».
2. Электрические аккумуляторы
Электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ)- перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить.
Аккумуляторы – это устройства, в которых под воздействием внешнего источника тока в системе накапливается (аккумулируется) химическая энергия (процесс зарядки аккумулятора), а затем при работе устройства (разрядка) химическая энергия снова превращается в электрическую. Таким образом, при зарядке аккумулятор работает как электролизер, а при разрядке – как гальванический элемент.
В упрощенном виде аккумулятор представляет собой два электрода (анод и катод) и ионный проводник между ними – электролит. На аноде как при разряде, так и при заряде протекают ре6акции окисления, а на катоде – реакции восстановления.
До последнего времени по-прежнему наиболее распространенными в России, да и в Приднестровье, остаются кислотные свинцовые и щелочные никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы.
Электроды в нем представляют собой свинцовые решетки, из которых одна заполняется в порах порошком оксида свинца IV – PbO2. Электроды соединены с электролитом через пористый сепаратор. Всеь аккумулятор помещается в бак из эбонита или полипропилена.
При работе такого устройства в нем происходят следующие электродные процессы:
А). Разрядка или работа аккумулятора как источника электрической энергии.
На аноде: (–) Pb – 2ē → Pb2+;
на катоде: (+) PbO2 + 4H+ + 2ē → Pb2+ + 2H2O.
Образующиеся на электродах катионы свинца взаимодействуют с анионами электролита с выделением белого осадка сульфата свинца
Pb2+ + SO42– = ↓PbSO4.
Суммарная токообразующая реакция процесса разрядки аккумулятора:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4↓ + 2H2O,
а схема работающего аккумулятора как гальванического элемента имеет вид (–) Pb|PbSO4||PbO2 (+).
Напряжение на клеммах работающего аккумулятора достигает величины 2,0÷2,5В. В процессе эксплуатации устройства электролит расходуется, а в системе накапливается осадок. Когда концентрация активных ионов водорода [Н+] становится критической для реакции на катоде, аккумулятор прекращает свою работу.
Б). Зарядка или восстановление химического потенциала аккумулятора для последующего его преобразования в электрическую энергию. Для этого аккумулятор подсоединяют к внешнему источнику тока таким образом, что к клемме «анод» подается отрицательный полюс, а к клемме «катод» - положительный. В этом случае на электродах под действием внешнего напряжения возникают обратные процессы, восстанавливающие их до первоначального состояния.
Металлический свинец восстанавливает поверхность электрода (–): PbSO4 + 2ē → Pb + SO42;
Образующийся оксид свинца IV заполняет поры свинцовой решетки (+): PbSO4 + 2H2O – 2ē → ↓PbO2 + 4H+ + SO42.
Суммарная восстановительная реакция: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 +2H2SO4.
Определить момент окончания процесса зарядки аккумулятора можно по появлению пузырьков газа над его клеммами («кипение»). Это связано с возникновением побочных процессов восстановления катионов водорода и окисления воды с ростом напряжения при восстановлении электролита:
2Н+ + 2ē → Н2; 2Н2О – 4ē → О2 + 2Н2.
Коэффициент полезного действия аккумулятора достигает 80% и рабочее напряжение длительное время сохраняет свое значение.
ЭДС аккумулятора может быть рассчитана по уравнению:
RT α4(H+)·α2(SO42–)
EЭ = EЭ0 + –––– ℓn –––––––––––––– (твердые фазы в Сравн. не
2F α2(H2O) учитываются).
Надо заметить, что в аккумуляторе нельзя использовать концентрированную серную кислоту (ω(H2SO4) > 30%), т.к. при этом уменьшается ее электрическая проводимость и увеличивается растворимость металлического свинца. Свинцовые аккумуляторы широко используются в автомобильном транспорте всех типов, на телефонных и электрических станциях. Однако из-за высокой токсичности свинца и его продуктов, свинцовые аккумуляторы требуют герметичной упаковки и полной автоматизации процессов их эксплуатации.
А) В щелочных аккумуляторах положительный электрод изготавливается из никелевой решетки, пропитанной гелеобразным гидрооксидом никеля II Ni(OH)2; а отрицательный – из кадмия или железа. Ионным проводником служит 20%-ый раствор гидрооксида калия КОН. Суммарные токообразующие и генерирующие реакции в таких аккумуляторах имеют вид:
2NiOOH + Cd + 2H2O ◄====== 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2; ЕЭ0 = 1,45В.
2NiOOH + Fe + 2H2O ◄====== 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2; ЕЭ0 = 1,48В.
К достоинствам этих аккумуляторов относят большой срок их службы (до 10 лет) и высокую механическую прочность, а к недостаткам – невысокие КПД и рабочее напряжение. Щелочные аккумуляторы используются для питания электрокар, погрузчиков, рудничных электровозов, аппаратуры связи и электронной аппаратуры, радиоприемников. Вспомним также, что кадмий является высокотоксичным металлом, что требует соблюдения правил безопасности при утилизации отработанных устройств.
ЭДС и тока. Необходимо помнить, что в батарею должны соединятся элементы с одинаковыми характеристиками. План работы Начертить схемы замещения: Схемы включения реостата Схемы включения потенциометра Схемы соединения гальванических элементов. Вывод Из построенных схем и условий каждая цепь имеет своё значение ЭДС на каждой схеме она определяется по разному. Ответы на...
Развития гальванотехники в XIX – XX вв. в значительной степени остаётся открытым. Представляется, что его можно решить на основании реконструкции процесса создания гальванического производства; прослеживания, каким областям науки и техники, их конкретным достижениям обязано оно своим становлением; рассмотрения социально-экономических предпосылок возникновения и становления гальванотехники. ...
Тока ниже, чем в гальваностегии; в железных гальванопластических ваннах она не превышает 10-30 а/м2, в то время как при железнении (гальваностегия) плотность тока достигает 2000-4000 а/м2. Гальванические покрытия должны иметь мелкокристаллическую структуру и равномерную толщину на различных участках покрываемых изделий - выступах и углублениях. Это требование имеет в гальваностегии особенно важное...
Предпосылки к появлению гальванических элементов. Немного истории. В 1786 году итальянский профессор медицины, физиолог Луиджи Алоизио Гальвани обнаружил интересное явление: мышцы задних лапок свежевскрытого трупика лягушки, подвешенного на медных крючках, сокращались, когда ученый прикасался к ним стальным скальпелем. Гальвани тут же сделал вывод, что это — проявление «животного электричества».
После смерти Гальвани, его современник Алессандро Вольта, будучи химиком и физиком, опишет и публично продемонстрирует более реальный механизм возникновения электрического тока при контакте разных металлов.
Вольта, после серии экспериментов, придет к однозначному выводу о том, что ток появляется в цепи из-за наличия в ней двух проводников из разных металлов, помещенных в жидкость, и это вовсе не «животное электричество», как думал Гальвани. Подергивание лапок лягушки было следствием действия тока, возникающего при контакте разных металлов (медные крючки и стальной скальпель).
Вольта покажет те же явления, которые демонстрировал Гальвани на мертвой лягушке, но на совершенно неживом самодельном электрометре, и даст в 1800 году точное объяснение возникновению тока: «проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов… Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления».
В одном из первых экспериментов Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток.
Так был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой. Вольтов столб высотою в полметра создавал напряжение, чувствительное для человека.
Поскольку начало исследованиям положил Луиджи Гальвани, то и название сохранило память о нем в своем названии.
Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Таким образом, в гальванических элементах химическая энергия переходит в электрическую.
Гальванические элементы сегодня
Гальванические элементы сегодня называют батарейками. Широко распространены три типа батареек: солевые (сухие), щелочные (их называют еще алкалиновыми, «alkaline» в переводе с английского - «щелочной») и литиевые. Принцип их работы — все тот же, описанный Вольта в 1800 году: два металла , и во внешней замкнутой цепи возникает электрический ток.
Напряжение батарейки зависит как от используемых металлов, так и от количества элементов в «батарейке». Батарейки, в отличие от аккумуляторов, не способны к восстановлению своих свойств, поскольку в них происходит прямое преобразование энергии химической, то есть энергии составляющих батарейку реагентов (восстановителя и окислителя), в энергию электрическую.
Входящие в батарейку реагенты, в процессе ее работы расходуются, ток при этом постепенно уменьшается, поэтому действие источника заканчивается после того как реагенты прореагируют полностью.
Щелочные и солевые элементы (батарейки) широко применяются для питания разнообразных электронных устройств, радиоаппаратуры, игрушек, а литиевые чаще всего можно встретить в портативных медицинских приборах типа глюкометров или в цифровой технике вроде фотоаппаратов.
Марганцево-цинковые элементы, которые называют солевыми батарейками — это «сухие» гальванические элементы, внутри которых нет жидкого раствора электролита.
Цинковый электрод (+) — это катод в форме стакана, а анодом служит порошкообразная смесь из диоксида марганца с графитом. Ток течет через графитовый стержень. В качестве электролита используется паста из раствора хлорида аммония с добавлением крахмала или муки для загущения, чтобы ничего не текло.
Обычно производители батареек не указывают точный состав солевых элементов, тем не менее, солевые батарейки являются самыми дешевыми, их обычно используют в тех устройствах, где энергопотребление крайне низко: в часах, в пультах дистанционного управления, в электронных термометрах и т. п.
Понятие "номинальная емкость" редко употребляется для характеристики марганцево-цинковых батареек, так как их емкость сильно зависит от режимов и условий эксплуатации. Основными недостатками этих элементов являются значительная скорость снижения напряжения на всем протяжении разряда и значительное уменьшение отдаваемой емкости при увеличении тока разряда. Конечное разрядное напряжение устанавливают в зависимости от нагрузки в интервале 0,7-1,0 В.
Важна не только величина тока разряда, но и временной график нагрузки. При прерывистом разряде большими и средними токами работоспособность батареек заметно увеличивается по сравнению с непрерывным режимом работы. Однако при малых разрядных токах и многомесячных перерывах в работе емкость их может снижаться в следствии саморазряда.
Выше на графике изображены разрядные кривые для средней солевой батарейки за 4, 10, 20 и 40 часов для сравнения с щелочной, о которой речь пойдет далее.
Щелочной элемент питания — марганцево-цинковый гальванический элемент питания, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, в качестве анода — порошкообразный цинк, а в качестве электролита — раствор щёлочи, обычно в виде пасты гидроксида калия.
Эти батарейки обладают целым рядом преимуществ (в частности, существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки).
Щелочные батарейки, в сравнении с солевыми, могут обеспечивать больший ток в течение длительного времени. Больший ток становится возможным, поскольку цинк здесь используется не в виде стакана, а в виде порошка, обладающего большей площадью соприкосновения с электролитом. В качестве электролита применяется гидрооксид калия в виде пасты.
Именно благодаря способности данного вида гальванических элементов в течение длительного времени отдавать значительный ток (до 1 A), щелочные батарейки наиболее распространены в настоящее время.
В электрических игрушках, в портативной медицинской технике, в электронных приборах, в фотоаппаратах — всюду применяются щелочные батарейки. Они служат в 1,5 раза дольше солевых, если разряд идет малым током. На графике изображены разрядные кривые при различных токах для сравнения с солевой батарейкой (график был приведен выше) за 4, 10, 20 и 40 часов.
Литиевые батарейки
Еще одним достаточно распространенным видом гальванических элементов являются литиевые батарейки - одиночные неперезаряжаемые гальванические элементы, в которых в качестве анода используется литий или его соединения. Благодаря использованию щелочного металла они обладают высокой разностью потенциалов.
Катод и электролит литиевого элемента могут быть очень разными, поэтому термин «литиевый элемент» объединяет группу элементов с одинаковым материалом анода. В качестве катода могут использоваться например: диоксид марганца, монофторид углерода, пирит, тионилхлорид и др.
Литиевые батарейки отличается от других элементов питания высокой продолжительностью работы и высокой стоимостью. В зависимости от выбранного типоразмера и используемых химических материалов, литиевый элемент питания может производить напряжение от 1,5 В (совместим с щелочными батареями) до 3,7 В.
Эти элементы питания обладают наивысшей емкостью на единицу массы и длительным временем хранения. Литиевые элементы широко применяются в современной портативной электронной технике: для питания часов на материнских платах компьютеров, для питания портативных медицинских приборов, наручных часов, калькуляторов, в фототехнике и т. д.
На графике выше приведены разрядные кривые для двух литиевых батареек от двух популярных производителей. Начальный ток составлял 120 мА (на резистор порядка 24 Ома).
Маломощные источники электрической энергии
Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.
Гальванические элементы - это источники одноразового действия, аккумуляторы - источники многоразового действия.
Простейший гальванические элемент
Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.
Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится . По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ - водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.
Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.
Важные параметры гальванических элементов
Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.
Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.
Очень важной характеристикой гальванического элемента является . Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.
Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).
По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.
Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.
Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.
Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.
Распространенные виды гальванических элементов
Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.
Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.
Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.
Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.
Это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.
Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.
Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.
От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок.
Устройство аккумулятора
В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых - раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые - щелочными.
Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов . Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 .
Устройство кислотного аккумулятора
Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO 4) превращаются в разнородные (Pb и Рb О 2 ).
Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным - чистая свинцовая пластина.
К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.
В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.
К концу разряда обе пластины аккумулятора опять покрываются сернокислым свинцом, в результате чего аккумулятор перестает быть источником тока. До такого состояния аккумулятор никогда не доводят. Вследствие образования сернокислого свинца на пластинах, концентрация электролита в конце разряда понижается. Если аккумулятор поставить на заряд, то вновь можно вызвать поляризацию, чтобы опять поставить его на разряд и т. д.
Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой - нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 - 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.
Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16
Где Q - номинальная емкость аккумулятора, Ач.
После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 - 18 ч, до появления признаков конца заряда.
Современные аккумуляторы
Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.
Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 - 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.
Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 - 60 Вт ч кг -1 .
Если отсутствует электрическая сеть, то для питания электроприборов применяют гальванические элементы и аккумуляторы, называемые иначе химическими источниками тока. Рассмотрим принцип их работы на примере первого простейшего элемента – элемента Вольта (рис. 1). Он состоит из медной (Сu) и цинковой (Zn) пластинок, опущенных в раствор серной кислоты (H2SO4). Вследствие химической реакции, происходящей между цинком и серной кислотой, на цинке образуется излишек электронов. Цинк заряжается отрицательно и является отрицательным полюсом. Раствор и медная пластинка, в него погруженная, заряжаются положительно. В результате возбуждается ЭДС, равная примерно одному вольту, которая сохраняется все время, пока цепь не замкнута.
Если замкнуть цепь, пойдет ток и внутри элемента усиленно начнет выделяться водород, покрывающий поверхность пластинок слоем пузырьков. Этот слой уменьшает напряжение на полюсах элемента. Такое явление носит название поляризации. Чем больше ток, тем сильнее поляризация и тем быстрее уменьшается напряжение элемента.
Рис.1. Простейший гальванический элемент Вольта.
Для устранения поляризации в элемент вводят вещества, способные поглощать водород и называемые деполяризаторами. Чтобы напряжение на полюсах оставалось постоянным, деполяризатор должен быстро поглощать водород, образующийся при работе элемента. Поглощая водород, деполяризатор постепенно приходит в негодность. Но обычно раньше этого портится электролит и под действием электролита разъедается цинк. Вообще электрическая энергия получается в элементе за счёт расхода цинка, электролита и деполяризатора; поэтому каждый элемент обладает определенным запасом энергии и может работать лишь ограниченное время.
Работа гальванических элементов объясняется с помощью теории электролитической диссоциации, согласно которой молекулы вещества, растворенного в воде распадаются (диссоциируют) на, ионы. Такое явление характерно для всех электролитов, представляющих собой растворы кислот, щелочей и солей. В элементе Вольта молекула серной кислоты (H2SO4) в водном растворе распадаются на отрицательный ион кислотного остатка (SO4) и положительный ион водорода (H2), что показано на рис. 2.
Химическая реакция между цинком и серной кислотой состоит в том, что положительные ионы цинка переходят в раствор, притягиваясь к отрицательным ионам электролита. При этом цинковый электрод сам заряжается отрицательно. Между ним и электролитом возникает разность потенциалов, а следовательно, и электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу положительных ионов цинка в раствор. Поэтому создается некоторое равновесие с определенной разностью потенциалов между цинком и раствором. Для других металлов и растворов значение разности потенциалов будет иное.
Чтобы использовать возникшую разность потенциалов, в электролит помещают второй электрод, выполненный из другого металла. Если второй электрод – цинковый, то между ним и растворов получится такая же разность потенциалов, как у первого электрода но она будет действовать навстречу, и результирующая разность потенциалов между электродами будет равна нулю. У элементов отрицательный электрод, как правило, цинковый, а положительный электрод обычно медный или угольный.
Если соединить электроды элемента проводником, т. е. создать замкнутую цепь, то под действием разности потенциалов по внешней цепи от цинка будут двигаться электроны. Так как они уходят с цинкового электрода, то его отрицательный потенциал начинает уменьшаться и электрическое поле между ним и раствором ослабевает. Но тогда новые положительные ионы цинка переходят в раствор. Тем самым поддерживается определенный отрицательный потенциал цинкового электрода.
Рис.2. Ионы в электролите элемента Вольта.
При работе элемента непрерывно происходит растворение цинка в электролите, который постепенно превращается в раствор сернокислого цинка (ZnSO4). Положительные ионы цинка, переходящие все время в электролит, притягивают к себе отрицательные ионы кислотного остатка. Эти ионы в электролите данжутся в направлении от медной пластинки к цинковой. Зато положительные ионы водорода отталкиваются положительными ионами цинка и движутся в обратном направлении, то есть от цинка к меди. Таким об разом, если во внешней цепи ток представляет собой движение электронов (как и всегда в металлических проводниках), то в электролите ток является перемещением положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях. Ионы водорода подходят к медной пластинке и отнимают от нее электроны, превращаясь в нейтральные атомы. Вследствие этого на медной пластинке поддерживается определенный положительный потенциал, несмотря на то, что к ней из внешней цепи прибывают электроны. Однако медная пластинка постепенно покрывается слоем водорода. Между этим слоем и электролитом возникает разность потенциалов, действующая навстречу основной разности потенциалов, имеющейся между электродами. Возникновение такой противоэлетродвижущей силы и называется поляризацией элемента. Вследствие поляризации результирующая разность потенциалов уменьшается и действие элемента ухудшается.
Гальванические элементы характеризуются разными параметрами и прежде всего электродвижущей силой, внутренним сопротивлением, максимальным допустимым разрядным током и емкостью.
Электродвижущая сила обусловливается типом элемента, то есть материалом его электродов, веществом электролита и деполяризатора. Она совершенно не зависит от размеров элемента (размеров его электродов), количества электролита и количества деполяризатора.
Внутреннее сопротивление элемента зависит не только от его типа, но и от его размеров, а также от того, как долго работал элемент. Чем больше размеры элемента, тем меньше его внутреннее сопротивление. По мере работы элемента внутреннее сопротивление растет. Оно особенно резко возрастает у истощившихся элементов. Внутреннее сопротивление у элементов в начале их работы обычно бывает от единиц ом до десятых долей ома. Когда элемент присоединен к замкнутой цепи, напряжение на его зажимах всегда несколько меньше ЭДС и снижается при увеличении тока, так как возрастает потеря части ЭДС на внутреннем сопротивлении элемента. Иногда для элементов указывают напряжение при максимальном разрядном токе в начале работы элемента (начальное напряжение).
Каждый элемент можно разряжать током до определённого значения. Чрезмерно большой ток вызовет ускоренную поляризацию и напряжение быстро станет недопустимо низким. Подобное же явление, но в ещё большей степени происходит при коротком замыкании элемента. У большинства элементов максимальный допустимый разрядный ток составляет доли ампера. Чем больше размеры элемента, тем больше этот ток. Превышение тока приводит и быстрому истощению элемента.
Емкостью элемента называют количество электричества, которое он способен отдать при разряде током не свыше максимального допустимого. Обычно емкость элементов измеряют в ампер-часах (а-ч), то есть произведением разрядного тока в амперах и числа часов работы элемента. Элемент считают разряженным, если его напряжение уменьшилось примерно на 50 % по сравнению с первоначальным значением.
Время работы элемента можно определить, разделив емкость в ампер-часах на разрядный ток в амперах. При этом ток не должен превышать максимального допустимого значения.
Емкость элемента зависит от количества цинка, электролита и деполяризатора. Чем больше размеры элемента, тем больше количество входящих в его состав веществ и тем больше емкость. Кроме того, емкость зависит от разрядного тока, а также от перерывов во время разряда и их длительности. Нормальная емкость элемента соответствует максимальному допустимому разрядному току при непрерывном разряде. Если ток меньше максимального и если разряд происходит с перерывами то емкость увеличивается, а при токе свыше максимального ёмкость снижается, так как часть деполяризатора не участвует в реакциях. Емкость также уменьшается с понижением температуры. Поэтому расчет времени работы элемента по его номинальной емкости и разрядному току является приближенным.
2. МАРГАНЦОВО – ЦИНКОВЫЕ
И ОКСИДНО – РТУТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
Широкое распространение получили марганцово – цинковые (МЦ) сухие элементы с деполяризатором из диоксида марганца.
Сухой элемент стаканчикового типа (рис. 3) имеет цинковый сосуд прямоугольной или цилиндрической формы, являющийся отрицательным электродом. Внутри него помещён положительный электрод в виде угольной
палочки или пластинки, которая находится в мешке, наполненном смесью диоксида марганца с порошком угля или графита. Уголь или графит добавляют для уменьшения сопротивления. Угольный стержень и мешок с деполяризующей массой называют агломератом. В качестве электролита используется паста, составленная из нашатыря (NH4Cl), крахмала и некоторых других веществ. У стаканчиковых элементов центральный вывод является положительным полюсом.
Рабочее напряжение сухого элемента несколько ниже, чем его ЭДС, равная 1,5 В, и составляет примерно 1,3 или 1,4 В. При длительном разряде напряжение по степенно уменьшается, так как деполяризатор не успевает поглощать весь выделяемый водород, и к концу раз ряда оно достигает 0,7 В.
Рис.3. Устройство сухого элемента.
Другая конструкция сухого элемента, так называемого галетного типа, показана на рис. 4. В нем положительным электродом является деполяризующая масса (угольного электрода нет). Галетные элементы имеют значительно лучшие характеристики, нежели стаканчиковые.
Рис. 4. Устройство сухого галетного элемента.
1 – деполяризатор – положительный электрод; 2 – цинк – отрицательный электрод; 3 – бумага;
4 – картон, пропитанный электролитом; 5 – полихлорвиниловая плёнка.
В каждом элементе, имеющем электролит, даже при разомкнутой внешней цепи происходит так называемый саморазряд, в результате которого разъедается цинковый электрод, а также истощаются электролит и деполяризатор. Поэтому сухой элемент при хранении постепенно проходит в негодность и электролит у него высыхает.
Когда сухие элементы полностью разрядятся, их агломераты ещё работоспособны и могут быть использованы для устройства самодельных наливных элементов. Такие элементы имеют агломерат и электрод из листового цинка в растворе нашатыря, находящемся в стеклянном или керамическом или пластмассовом стаканчике. При отсутствии нашатыря можно с несколько худшими результатами применить раствор обычной поваренной соли с небольшой добавкой сахара. Помимо сухих элементов типа МЦ, широко применяются элементы с марганцово – воздушной деполяризацией (МВЦ). Они устроены аналогично элементам МЦ, но у них положительный электрод сделан так, что к диоксиду марганца по особым каналам поступает наружный атмосферный воздух. Кислород воздуха возмещает потерю кислорода диоксидом марганца при деполяризации. Поэтому деполяризация может происходить значительно дольше и емкость элемента увеличивается.
Физико-химические процессы в элементах с диоксидом марганца происходят следующим образом. Нашатырь, то есть хлористый аммоний (NH4Cl), в водном растворе образует положительные ионы аммония (NH4) и отрицательные ионы хлора (Cl). Положительные ионы цинка переходят в раствор и цинк приобретает отрицательный потенциал. При замыкании цепи, когда во внешней цепи электроны движутся в направлении от цинка к углю всё время происходит растворение цинка. Его ионы переходят в электролит, за счёт чего поддерживается отрицательный потенциал цинка. Ионы цинка соединяются с ионами хлора, образуя раствор хлористого цинка (ZnCl2). В то же время ионы NH4 движутся к угольному электроду, отнимают от него электроны и распадаются на аммиак (NH3) и водород. Это происходит по уравнению
2NH4 = 2NH3 + H2.
Выделяющийся водород вступает в соединение с деполяризатором, то есть диоксидом марганца, образуя оксид марганца и воду:
H2 + MnО2 = MnО2 + Н2О.
В последние годы выпускаются еще сухие герметичные МЦ-элементы со щелочным электролитом (КОН). Они бывают цилиндрические, дисковые и галетные, ёмкостъ у них в три – пять раз больше, чем у элементов с электролитом из нашатыря. Кроме того, они допускают несколько циклов подзаряда током с отдачей 10% емкости. У таких элементов центральный электрод цинковый и является минусом, то есть полярность выводов противоположна полярности выводов обычных МЦ-элементов. Элементы со щелочным электролитом применяются для длительной работы, например, в электронных часах. В обозначениях таких элементов впереди ставится буква А.
У всех элементов начальное напряжение составляет примерно 1,3 – 1,5 В, а конечное напряжение равно 0,7 – 1 В. Хранение сухих элементов или батарей в бездействующем состоянии перед их использованием не должно продолжаться более срока, указанного на них; в противном случае сохранение работоспособности не гарантируется. Однако при хранении в течение указанного срока происходит некоторое снижение емкости, но не больше, чем на одну треть.
В последнее время выпускаются ещё малогабаритные оксидно – ртутные (ртутно – цинковые) герметичные элементы, имеющие более высокие качества, нежели элементы типа МЦ. Устройство оксидно – ртутных элементов показано на рис. 5. Элемент имеет стальной корпус состоящий из двух половин, отделенных друг от друга герметизирующей изоляционной прокладкой из резины.
В одну половину корпуса впрессована активная масса из оксида ртути (HgO) с графитом, являющаяся положительным электродом. Отрицательным электродом служит цинковый порошок, впрессованный в другую половину корпуса. Щелочной электролит (КОН) пропитывает пористую прокладку, разделяющую электроды. Эти элементы выпускаются разных размеров и разной емкости (от десятых долей ампер-часа до нескольких ампер-
часов). ЭДС у них составляет примерно 1,35 В. Срок хранения этих элементов 2,5 года. Саморазряд не превышает 1 % в год. По сравнению с МЦ-элементами ртут-
Рис. 5. Устройство герметичного оксиднво-ртутного элемента;
1 – стальной корпус с положительным электродом; 2 – пористая прокладка; 3 – резиновая уплотняющая прокладка; 4 – крышка корпуса с отрицательным электродом.
но – цинковые элементы имеют большую емкость, меньшее внутреннее сопротивление, но более высокую стоимость. Они широко применяются в электронных часах, кардиостимуляторах, фотоэкспонометрах, измерительных приборах. У самых малогабаритных элементов размеры составляют всего лишь несколько миллиметров, а масса – десятые доли грамма.
Важной особенностью оксидно-ртутных элементов является стабильность напряжения при разряде. Только в самом конце разряда напряжение резко падает до нуля.
3. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В БАТАРЕИ.
Выше говорилось, что ЭДС обычного химического элемента приблизительно равна 1,5 В. Для увеличения ЭДС применяют батарею с последовательным соединением элементов. В этом случае “+” одного элемента соединяют с “–” другого и т. д. “Минус” первого и “плюс” последнего являются полюсами всей батареи (рис. 6.).
При последовательном соединении элементов ЭДС возрастает во столько раз, сколько соединено элементов.
Рис.6. Последовательное и параллельное соединение элементов в батарею.
Реже встречается параллельное соединение элементов, при котором положительные полюсы всех элементов соединяются вместе, образуя положительный полюс батареи, а отрицательный полюс батареи получается путем соединения отрицательных полюсов элементов (рис. 6). При параллельном соединении элементов ЭДС батареи не увеличивается, но возрастают емкость и максимальный разрядный ток. Поэтому параллельное соединение применяют, когда нужно получить больший разрядный ток и большую емкость, чем у одного элемента.
Значительно чаще прибегают к смешанному соединению, при котором увеличиваются и ЭДС, и емкость, и максимальный разрядный ток. В этом случае обычно соединяют параллельно несколько групп элементов, а в каждой группе соединяют последовательно столько элементов сколько нужно для получения необходимой ЭДС.
Рис. 7. Смешанное соединение элементов в батарею.
Число параллельных групп определяется необходимой величиной максимального разрядного тока (рис. 7). Вообще желательно составлять батареи из последовательно соединённых элементов с достаточным разрядным током. И только в случае, когда необходимо получить больший ток или увеличенную емкость, прибегают к смешанному соединению. Включение дополнительных элементов по принципу смешанного соединения применяется также для повышения напряжения, если элементы сильно разрядились.
Во время бездействия батареи параллельные группы элементов надо отсоединять друг от друга, так как за счет даже незначительной разницы в ЭДС одна группа может разряжаться на другую.
Для того чтобы составить схему гальванического элемента, необходимо понять принцип его действий, особенности строения.
Потребители редко обращают внимание на аккумуляторы и батарейки, при этом именно эти источники тока являются самыми востребованными.
Химические источники тока
Что собой представляет гальванический элемент? Схема его основывается на электролите. В устройство входит небольшой контейнер, где располагается электролит, адсорбируемый материалом сепаратора. Кроме того, схема двух гальванических элементов предполагает наличие Как называется такой гальванический элемент? Схема, связывающая между собой два металла, предполагает наличие окислительно-восстановительной реакции.
Простейший гальванический элемент
Он подразумевает наличие двух пластин либо стержней, выполненных из разных металлов, которые погружены в раствор сильного электролита. В процессе работы данного гальванического элемента, на аноде осуществляется процесс окисления, связанный с отдачей электронов.
На катоде - восстановление, сопровождающееся принятием отрицательных частиц. Происходит передача электронов по внешней цепи к окислителю от восстановителя.
Пример гальванического элемента
Для того чтобы составить электронные схемы гальванических элементов, необходимо знать величину их стандартного электродного потенциала. Проанализируем вариант медно-цинкового гальванического элемента, функционирующего на основе энергии, выделяющейся при взаимодействии сульфата меди с цинком.
Этот гальванический элемент, схема которого будет приведена ниже, называют элементом Якоби-Даниэля. Он включает в себя которая погружена в раствор медного купороса (медный электрод), а также он состоит из цинковой пластины, находящейся в растворе его сульфата (цинковый электрод). Растворы соприкасаются между собой, но для того, чтобы не допускать их смешивания, в элементе используется перегородка, выполненная из пористого материала.
Принцип действия
Как функционирует гальванический элемент, схема которого имеет вид Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Во время его работы, когда замкнута электрическая цепь, происходит процесс окисления металлического цинка.
На его поверхности соприкосновения с раствором соли наблюдается превращение атомов в катионы Zn2+. Процесс сопровождается выделением «свободных» электронов, которые передвигаются по внешней цепи.
Реакцию, протекающую на цинковом электроде, можно представить в следующем виде:
Восстановление катионов металла осуществляется на медном электроде. Отрицательные частицы, которые попадают сюда с цинкового электрода, объединяются с катионами меди, осаждая их в виде металла. Данный процесс имеет следующий вид:
Если сложить две реакции, рассмотренные выше, получается суммарное уравнение, описывающее работы цинково-медного гальванического элемента.
В качестве анода выступает цинковый электрод, катодом служит медь. Современные гальванические элементы и аккумуляторы предполагают применение одного раствора электролита, что расширяет сферы их применения, делает их эксплуатацию более комфортной и удобной.
Разновидности гальванических элементов
Самыми распространенными считают угольно-цинковые элементы. В них применяется пассивный угольный коллектор тока, контактирующий с анодом, в качестве которого выступает оксид марганца (4). Электролитом является хлорид аммония, применяемый в пастообразном виде.
Он не растекается, поэтому сам гальванический элемент называют сухим. Его особенностью является возможность «восстанавливаться» на протяжении работы, что позитивно отражается на продолжительности их эксплуатационного периода. Такие гальванические элементы имеют невысокую стоимость, но невысокую мощность. При понижении температуры они снижают свою эффективность, а при ее повышении происходит постепенное высыхание электролита.
Щелочные элементы предполагают использование раствора щелочи, поэтому имеют довольно много областей применения.
В литиевых элементах в качестве анода выступает активный металл, что позитивно отражается на сроке эксплуатации. Литий имеет отрицательный поэтому при небольших габаритах подобные элементы имеют максимальное номинальное напряжение. Среди недостатков подобных систем можно выделить высокую цену. Вскрытие литиевых источников тока является взрывоопасным.
Заключение
Принцип работы любого гальванического элемента основывается на окислительно-восстановительных процессах, протекающих на катоде и аноде. В зависимости от используемого металла, выбранного раствора электролита, меняется срок службы элемента, а также величина номинального напряжения. В настоящее время востребованы литиевые, кадмиевые гальванические элементы, имеющие достаточно продолжительный срок своей службы.
