Окисно-відновні реакції і електрохімічні процеси в гальванічних елементах. Електродні потенціали (стр. 4 из 4)
на аноді Cd (тв.) + 2ОН– (водн.)
Cd(OH)2 (тв.) + 2е– (5.5)на катоді Ni2 (тв.) + 2Н2О (рід.) + 2е–
Ni(OH)2 (тв.) + 2ОН– (водн.) (5.6)Як і у свинцевій акумуляторній батареї, у Ni-Cd батареях продукти реакції не відокремлюються від електродів. Це дозволяє легко проводити зворотні реакції при перезарядженні. Оскільки ні на стадії розрядки, ні на стадії зарядки не відбувається виділення газів, Ni-Cd батарею можна герметизувати, що являє собою значну зручність.
На відміну від свинцевої батареї протягом зарядки і розрядки відбувається мінімальна зміна щільності електроліту. Це дозволяє застосовувати значний запас електроліту без впливу на електрохімічні процеси між плитами.
З огляду на електрохімічний пристрій Ni-Cd батареї, її поводження більш стабільне, ніж у свинцевої батареї, у неї більш тривалий термін служби, кращі характеристики і більш висока стійкість проти несприятливих умов.
Номінальна напруга Ni-Cd елементів складає 1,2 В [1, 12].
5.4. Паливні елементи
Багато речовин, наприклад H2 чи СН4, використовуються як палива. Виделена при їхній реакції з киснем теплота є джерелом енергії. Виделену при горінні теплову енергію нерідко перетворюють в електричну енергію. Оскільки горіння являє собою окислювально-відновну реакцію, у принципі її можна використовувати для прямого одержання електричного струму в гальванічному елементі, якщо, звичайно, можливе створення такого елемента. Пряме перетворення хімічної енергії в електричну має великі переваги в порівнянні зі звичайним способом перетворення хімічної енергії спочатку в теплову і лише після цього в електричну. При одержанні електричної енергії з теплової останню використовують для перетворення води в пару. Потім ця пара пускає в хід турбіну, що обертає генератор. При перетворенні енергії з однієї форми в іншу чи при її передачі від однієї речовини до іншої відбуваються неминучі втрати енергії і теплове забруднення навколишнього середовища Звичайно в електричну енергію вдається перетворити не більш 40% енергії, отриманої в результаті згоряння палив; інша частина розсіюється в навколишнє середовище у виді марного тепла. Пряме одержання електричної енергії з палив за допомогою гальванічних елементів повинно забезпечити більш високий коефіцієнт перетворення хімічної енергії палива в електричну енергію. Гальванічні елементи, у яких реагентами служать традиційні палива, називаються паливними елементами.
На розробку практично діючих паливних елементів затрачаються великі дослідницькі зусилля. Однієї з виникаючих при цьому проблем є висока температура, при якій працює більшість подібних елементів, що не тільки сприяє розсіюванню енергії, але і прискорює корозію частин гальванічного елемента. Розроблено низькотемпературний паливний елемент, в якому використовується H2, але поки що цей паливний елемент занадто дорогий для широкого вжитку. Однак він знаходить застосування в особливих випадках, наприклад у космічних апаратах. Так, паливний елемент на основі H2–O2 служив як головне джерело електричної енергії на космічних кораблях «Апполон», що літали на Місяць. Маса паливного елемента, що забезпечував корабель енергією протягом 11-денного польоту, складала приблизно 250 кг. Якби для такої мети використовувався звичайний генератор електричної енергії, його маса повинна була б складати кілька тонн.
У паливному елементі на H2–O2 протікають наступні електродні реакції:
на аноді 2H2 (м.) + 4OH– (водн.)
4H2O (ж.) + 4e–на катоді 4e– + O2 (м.) + 2H2O (рід.)
4OH– (водн.)2H2(м.) + O2 (м.)
2H2O (рід.) (5.7)Схематичне зображення цього паливного елемента приведене на мал. 5.4. Електроди виконані у виді порожніх трубок з пористого спресованого вугілля, просоченого каталізатором; електролітом служить KOH. Паливний елемент працює доти, поки в нього не припиниться подача реагентів [1, 8].
Висновки
Таким чином, гальванічним елементом прийнято називати хімічне джерело електричної енергії (ХДЕЕ), у якому протікають практично незворотні реакції [3]. Такий ХДЕЕ не можна перезаряджати: він призначений для однократного використання. ХДЕЕ, у якому протікають практично зворотні реакції, називають акумулятором: його можна перезаряджати і використовувати багаторазово.
Дія будь-якого гальванічного елемента заснована на протіканні в ньому окислювально-відновної реакції. У найпростішому випадку гальванічний елемент складається з двох пластин, виготовлених з різних металів і занурених у розчин електроліту. Така система уможливлює просторовий поділ окислювально-відновної реакції: окислювання протікає на одному металі, а відновлення – на іншому. Таким чином, електрони передаються від відновлювача до окислювача по зовнішньому ланцюгу.
У принципі електричну енергію може дати будь-яка окислювально-відновна реакція. Однак число реакцій, практично використовуваних у хімічних джерелах електричної енергії, невелико. Це зв'язано з тим, що не всяка окислювально-відновна реакція дозволяє створити гальванічний елемент, що володіє технічно коштовними властивостями (висока і практично постійна е.р.с., можливість відбирання великих струмів, тривала схоронність і ін.). Крім того, багато окислювально-відновних реакцій вимагають витрати дорогих речовин.
На відміну від мідно-цинкового елемента, у всіх сучасних гальванічних елементах і акумуляторах використовують не два, а один електроліти; такі джерела струму значно зручніше в експлуатації. Наприклад, у свинцевих акумуляторах електролітом служить розчин сірчаної кислоти.
Майже у всіх гальванічних елементах анод, що випускаються в дійсний час, виготовляється з цинку, а як речовину для катода звичайно застосовують оксиди менш активних металів.
Список використаних джерел
1. Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук: В 2-х т.– М.: Мир, 1983, т. 2. – С. 199-228.
2. Василега М.Д. Окислювально – відновлювальні реакції. – К.: Рад. школа, 1974. – 119 с.
3. Гальванические элементы и батареи // http://www.aktex.ru/rus/technology/
4. Дамаскин Б.Б. Принципы современных методов изучения электрохимических реакций. – М.: Изд. Моск. ун-та, 1965. – 104 с.
5. Кудрявцев А.А. Окислительно-восстановительные реакции. – М.: Знание, 1971. – 47 с.
6. Окислительно-восстановительные реакции // http://school-sector.relarn.ru/nsm/chemistry/Rus/ Data/Text/Ch1_8.1.html
7. Окислительно-восстановительные реакции. Электродный потенциал // http://prince-igor.narod.ru/redox.htm
8. Остахов Е.А., Белюсин И.Н. Справочник по электрохимии. – Л., 1981. – 486 с.
9. Подобаев Н.И. Окислительно-восстановительные реакции и гальванические элементы. – М.: Просвещение, 1966. – 116 с.
10. Терни Т. Механизмы реакций окисления – восстановления. – М.: Мир, 1968. – 238 с.
11. Электрохимия // http://schoolchemistry.by.ru/o_chemistry/vidy_ximii/tvtelo.htm
12. Электрохимия никель-кадмиевых батарей // http://www.ferak.cz/ru/ PRIRUCKA/