Елемент типу “МЦ 373”, конструкція якого схематично зображена нижче на рисунку.
“+”
вугільний електрод
MnO2
NH4Cl
Zn
“-”
Такий елемент називають марганцево – цинковим, його схематично можна записати:Zn/NH4Cl/MnO2(C); ЕРС = 1,6 В. Реакція, яка лежить в основі роботи елемента,
Zn + 2MnO2 + H2O = ZnO + 2MnOOH;
Свинцевий акумулятор. З усіх відомих тепер ХДС свинцевий акумулятор є найвідповіднішим до вимог, що ставлять до ХДС, за їх сумою, лідирує уже понад 150 років і є самою масовою продукцією промисловості, що виробляє ХДС. У нього багато недоліків, але ураховуючи ту саму суму показників, поки що не з’явився достойний замінник. Він являє собою сітчасті пластини, в які запресована паста з суміші Pb, PbO2та H2SO4. Схему елемента можна записати так “-“ Pb/H2SO4/PbO2,Pb “+”; ЕРС = 2,0 В
Реакції, які протікають на електродах під час роботи та зарядки свинцевого акумулятора, зобразимо схемою:
на негативній пластиніробота
Pb + SO42- - 2e PbSO4
Pb + SO42- + 2ePbSO4
зарядка
на позитивній пластині
робота
PbO2 +4H+ +SO42- + 2e 2PbSO4 + 2H2O
PbO2 +4H+ +SO42- - 2e 2PbSO4 + 2H2O
зарядка
сумарна реакція:
робота
Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + H2O
зарядка
Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4+ 2H2O
Паливний елемент. Свою назву елемент одержав від слова паливо, мали на увазі ті матеріали, які спалюють (C, CH4, CO, H2, CH3OH і т.ін.) з метою одержання теплоти і електричної енергії за традиційною схемою: котел – турбіна – генератор. Коефіцієнт корисної дії () такої схеми перетворення енергії природних ресурсів в електричну не перевищує 50 %, тому проблема підвищення цього показника є актуальною. Перетворення енергії природних ресурсів в електричну за допомогою паливних елементів у цьому відношенні дуже перспективне, бо для них наближається до 100 %. До того ж, паливний елемент може бути оборотним, тобто він може бути ефективним акумулятором електроенергії. Наприклад, паливний елемент був основним джерелом енергії на американських космічних кораблях, за допомогою яких люди побували на Місяці. На цих кораблях за рахунок енергії сонячної радіації паливні елементи перетворювали воду у водень та кисень, а при потребі у великій електричній потужності за допомогою тих самих паливних елементів “спалювали” водень у кисні з одержанням електричної енергії. Накопичення та одержання енергії за рахунок розкладу води на водень та кисень і зворотна реакція є практично ідеальними в екологічному відношенні. Паливні елементи такого типу використовуються поки що дуже обмежено з різних причин, але ця тема виходить за рамки програми цього курсу. Розглянемо схему роботи воднево – кисневого паливного елемента.
“-” ”+” пористі електроди з Ni або Pd
H2 O2
електроліт
H2O H2O
Схема елемента: “-“ Pt,H2/H+/O2,Pt “+”
робота
Реакції на електродах: “-“ H2 – 2e 2H+
зарядка
робота
“+“ 1/2O2 + 2H+ +2e H2O
зарядка
робота
Сумарна реакція: H2 + 1/2O2 H2O
зарядка
(відповідь – елемент МЦ 377, свинцевий акумулятор, паливний елемент)
Задача N150. Скільки грамів срібла виділиться електролізом водного розчину AgNO3 при силі струму 1 А на протязі 1 години?
(відповідь – 4,03 г Ag)
Подібна задача. В якій кількості і яка речовина виділяться на катоді та аноді електролізом водного розчину солі Na2SO4 з використанням інертних електродів при силі струму 5 А і тривалості електролізу 5 годин? Електролізом називається процес, під час якого хімічна реакція протікає під дією електричного струму. Опис процесу електролізу повинен висвітлювати два основних питання. Перше питання - що буде виділятися на катоді та аноді під час електролізу того чи іншого розчину електроліту за певних умов? Часто в розчині електроліту присутні декілька видів катіонів та аніонів, а тому потрібно визначити, які іони будуть розряджатися під час електролізу на катоді та аноді, написати схеми електродних реакцій, а після цього розпочинати вирішення другого питання. Друге питання полягає в тому, щоб визначити масу чи об’єм речовин, які виділяються на катоді та аноді залежно від сили струму і тривалості електролізу. Електроліз у вигляді найпростішої схеми зображено на нижче наведеному рисунку, дамо до нього пояснення.
“-“ “+”
катод анод
Na+ + SO42-
водний розчин Na2SO4
H+ + OH-
Найпростіший електролізер являє собою ємність з розчином електроліту, в який занурюються два електроди. Спочатку розглянемо випадок, коли електроди інертні, тобто не окисляються і не відновлюються під дією електричного струму, наприклад, платинові чи вугільні. До електродів підключається джерело постійного струму, завдяки якому в розчині створюється градієнт електричного поля. Під дією цього поля іони рухаються (мігрують) в розчині відповідно до знака їх заряду, а саме, катіони до катода, а аніони до анода. Джерело постійного струму створює надлишок вільних електронів у кристалічній решітці катода і зменшує концентрацію електронів у кристалічній решітці анода. Катод та анод залежно від напруги, що прикладена до них, є сильним відновником та окислювачем, відповідно, тобто катод - це донор, а анод – акцептор електронів. У цьому разі на катоді буде відновлюватись іон водню, тому що стандартний електродний потенціал водню більший, ніж натрію (0,00 та - 2,71 В, відповідно). Відносно того, які іони будуть розряджатися на катоді та аноді, є загальне правило, яке можна сформулювати так. На катоді розряджаються, передусім ті іони, стандартний електродний потенціал яких більший, а на аноді - ті іони, стандартний електродний потенціал яких менший. Із цього правила є багато винятків, на яких зупинимось далі. Виходячи з цього правила можна визначити, які речовини виділяються на електродах з водного розчину сульфату натрію під дією електричного струму:
на катоді “-“ 4H+ + 4e = 2H2
на аноді “+” 4OH- - 4e = O2 + 2H2O.
Фактично у цьому разі виділяються дві газоподібні речовини: на катоді – водень, а на аноді -кисень. Якщо катодний простір відділити від анодного, то ці гази можна збирати в окремі ємності.
Сумарно можна записати: 2H2O 4e = 2H2 + O2. У наведеному прикладі (електроліз водного розчину сульфату натрію) під дією електричного струму розпадається вода на водень та кисень, іони натрію і сульфат-іони не змінюються, розчин концентрується внаслідок зменшення в ньому розчинника (води). Тепер потрібно з’ясувати, яка кількість речовин буде виділятись на катоді та аноді залежно від сили струму і тривалості електролізу. Для розв’язання цієї задачі використовують закони Фарадея. Перший закон Фарадея - кількість речовини, яка перетворюється при електролізі (g), прямо пропорційна кількості електрики (Q), що пропущена через розчин:g = k×Q = k×I×t, деk - коефіцієнт пропорційності – електрохімічний еквівалент – кількість грамів речовини, яка перетворюється при проходженні 1 кулона електрики (К = А×с); Q- кількість електрики, що пропущена через розчин електроліту. Другий закон Фарадея – при постійній кількості електрики, яка проходить через розчин, маси перетворених речовин відносяться між собою, як їх хімічні еквіваленти. Тобто, якщо , наприклад, через два різні розчини пропустити однакову кількість електрики, то маси речовин (g)будуть відноситись між собою, як хімічні еквіваленти речовин (Е), що виділяються на електродах: g1/g2 = E1/E2, g1/ E1 = g2/E2 = n, де n – кількість грам – еквівалентів (г - екв) речовин, що виділяються на електродах. Для розрахунків кількості речовин, що виділяються на електродах, використовують висновок із другого закону Фарадея : якщо через розчин пропустити 1 F (Фарадей) електрики (96500 К (А×с) або - 26,8 А×годин), то на кожному із електродів (катоді та аноді) виділиться 1 г - екв речовини. Тепер можливо розрахувати, скільки водню та кисню виділиться, якщо пропускати через водний розчин солі Na2SO4 електричний струм значенням 5 А на протязі 5 годин у випадку, коли електроди інертні. Нагадаємо тільки, що г - екв. називається кількість речовини, що виражена в г та чисельно дорівнює еквівалентові речовини, а еквівалент (Е) простої речовини дорівнює її атомній масі, що поділена на валентність. EH2= 1/1 = 1г = 11,2 л водню за ст.ум. Eo2= 16/2 = 8г = 5,6 л кисню за ст.ум. У нашому випадку кількість водню розрахуємо за рівняннями, що складені на основі висновку із другого закону Фарадея.