Основи хімії (стр. 16 из 21)
метали і
А тепер уявіть собі, що ви берете 2 вугільних електроди, до яких підключений постійний струм, опускаєте їх у розплав і ведете електроліз. Що буде виділятися на катоді і аноді?
→
+ 2ē →
ē→ ↑ ↑
Виявляється, що із розплаву завжди можна одержати метал, а кислотний залишок кисневмісних кислот не одержите
Закони Фарадея. Вихід по струму.
Зв‟язок між кількістю речовини, яка виділяється при електролізі і кількістю електрики, яка пройшла через електроліт виражаються законами Фарадея
1. Однакова кількість електричного струму виділяє на електродах еквівалентну кількість речовин.
Для виділення на електроді 1г.екв. будь–якої речовини необхідно затратити одну й ту ж кількість електрики – 96500К. (Число Фарадея). Наприклад, при електролізі розплава виділяється 22,98 г і 35,45 г , тобто, як вони реагували в еквівалентних кількостях, так і одержуються.
2. Маси речовин які виділяються на електродах при електролізі прямо пропорційні кількості електричного струму, що протікає через електроліт.
Закон Фарадея можна виразити рівнянням:
е
*I *t
F , де
е – маса 1г.екв; – число Фарадея; – сила струму; – час (сек..)
У багатьох випадках на практиці осідає метала менше чим розраховано по формулі Фарадея. Тоді використовують формулу, по якій розраховують вихід по струму: m1 m1 *96500 
*100; де m Э* I *t
–маса метала факт. одержана; – маса метала розрахована по формулі Таким чином вихід по струму; металів із розчинів по ряду напруг:
До Al включно – 0; від Al до H2 у середньому 50%; від H2 до Au – 100%.
Тобто, це означає, що метал який знаходиться у ряду напруг до при електролізі розчинів ми не одержимо, а буде виділятися
– С –
А тепер у розчині солей є усі іони металів, який з них буде відновлюватися першим при електролізі?
Першим золото Au, а потім P , …. останнім
Потенціал розкладення. Перенапруження.
Для того, щоб електроліз проходив із помітною швидкістю, на клемах ванни треба підтримувати певну напругу, не меншу чим ЕРС утворюваного гальванічного елемента.
Та найменша величина електричного потенціалу, при якій струм повинен надійти у ванну, щоб забезпечити протікання процесу електролізу називається потенціалом розкладення, напругою розкладення, вольтаж.
Ці величини можна найти у таблиці потенціали розкладання
Процеси, що проходять у гальванічному елементі і при електролізі мають один характер – це окисно відновні процеси, але спрямовані у різні сторони. Тому для електролізу необхідна така напруга, яку дає гальванічний елемент, а краще, ще більша.
Наприклад, проведемо електроліз . Потенціал його розкладання Ерозк. дп. = 1,85 (з табл.). ЕРС такого гальванічного елемента:
– Е = Е –
Різниця між потенціалом розкладання і ЕРС гальванічного елемента називається перенапругою.
Еп = Ерозкл. – розкл.; Е = 1,85 – 1,61 = 0,24 В
(дп) (теор)
Мінімальний потенціал на електроді, при якому починається процес відновлення катіонів металу називається критичним потенціалом (Екрит.).
Перенапруга при електролізі може досягати значної величини, що приводить до втрати значної кількості енергії.
Явище поляризації
+ А К
Проведемо нікелювання чайної ложечки. У ванну із розчином опускаємо ложечку, підключаємо до неї від випрямника а + до вугільного електроду. Даємо напругу 36 В. А тепер давайте на декілька хвилин збільшимо напругу до 50 В. Так як у ванні будуть іони і
→
Н О →
то при такій напрузі іони водню, які у 59 разів легші нікелевих будуть перші досягати ложечки і відновлюватися на ній. Вони покриють тонким шаром (водневою подушкою) ложечку і таким чином припинять доступ іонам
Нікелювання припиняється, тому що виникла поляризація. Щоб її зруйнувати треба поміняти на декілька хвилин клеми. А потім знову зробити як було. Цим самим можна знову почати нікелювання.
Може відбутися поляризація по другому. На клемах гальванічної ванни 36 В, а нікелювання не йде. У цьому випадку розчин не підкислили тому утворився осад,
→ ↓
який тонкою плівкою покриє ложечку і припине доступ іонам . Тому нікелювання не йде. Щоб воно відбулося треба додати , для розчинення осаду.
→
Застосування електролізу
Електроліз знайшов широке застосування у різних галузях промисловості.
Гальванотехніка – при допомозі електролізу одержують метали із солей, проводять нікелювання, сріблення, золотіння.
Методом гальванопластики виготовляють бюсти і статуї, наносять товсті покриття на метали, так відновляють деталі.
Ведуть очистку води, одержують луги, важку воду, захисні плівки від корозії.
Шляхом електролізу проводять фарбування металів, поліровку, заточування і т.п.
Лекція 12. Акумулятори
План
1. Акумулятори кислотні і лужні.
2. Свинцевий акумулятор.
3. Залізо–нікелевий акумулятор.
4. Срібно–цинковий акумулятор.
5. Газові акумулятори.
Аккумулятори – це прилади, що здатні накопичувати хімічну енергію, яка по мірі необхідності перетворюються в електричну.
Акумулятори являються вторинними гальванічними елементами, так як для перетвореня їх в джерело струму вони зазделегідь потребують зарядки.
Акумулятор сам не виробляє електричний струм, він може його накопичувати (акумулірувати) при зарядці, а потім при необхідності, розряджуючись, віддавати. Вони мають більший термін служби, чим гальванічні елементи, які при витрачені хімічної енергії становляться непридатними. Хімічну енергію акумулятора можна відновити при зарядці. Він видержує декілька сотень циклів зарядка – розрядка, чим самим вигідно відрізняється від гальванічних елементів.
Практичне значення мають такі типи акумуляторів:
Кислотні (свинцеві) і лужні (залізно–нікелевий, кадмієво–нікелевий, срібно–цинковий і др.).
Вони є джерелами струму для стартерів двигунів внутрішнього згоряння, надають рух електрокарам, використовуються для аварійного освітлення тощо.
Свинцевий акумулятор
Зараз свинцеві акумулятори роблять тільки сухо зарядженими. Це значить: спочатку його треба зробити, потім зарядити, висушити і довести до нормального виду. А тепер все по – порядку.
Свинцевий акумулятор роблять із свинцевих гратчастих пластин, заповнених активною масою із оксиду свинцю ( ). Пластини з‟єднуються через одну, а щоб вони не замикали, між ними установлюють пластмасові прокладки (сепаратори) і поміщають у пластмасову банку. Заливають електроліт – % розчин . Щільність– 1,32 г/см (На півдні України – 1,27 г/см3). Оставляють на 2 години, щоб активна маса ( ) прореагувала з електролітом ), перетворюючись у нерозчинну сіль
→ ↓
Виявляється, що пластини однакові: були ; активна маса після реакції . Тому між ними різниці потенціалів не буде. Щоб акумулятор почав давати струм, його треба зарядити.
Заряджають струмом нормальної величини (у 10 разів менше
ємності акумулятора) протягом 6 годинДля цього від випрямляча подаємо постійний струм, під дією якого (насильно) йде реакція.
– + 2ē → о –
– 2ē→ –
зар.
Сумарне: 2 ↔
розр
У результаті зарядки акумулятора катодні пластини перетворюються в чистий або губчатий свинець , анодні в диоксид свинцю ( ) і йде накопичення сірчаної кислоти.
Таким чином, електроди маючи різні окисно–відновні властивості і поміщені в електроліт , будуть вести себе як гальванічний елемент.
Потім ведуть розрядку акумулятора протягом 4 годин, струмом нормальної величини, міняючи клеми. Тепер акумулятор почне робити, як гальванічний елемент Електрони від катода почнуть рухатися до аноду.
) К 2ē + – →
( + ) А + 2ē →
Сумарне: ↔
При цьому катодні (їх на 1 пластину більше, ніж анодних) та анодні пластини перетворюються в сульфат свинцю і йде утворення води.
Процес зарядка – розрядка роблять 3 рази (щоб акумулятор набрав свою ємність). Четвертий раз заряджають, виливають електроліт, промивають дистильованою водою, висушують гарячим повітрям і приводять до нормального стану.
Свинцевий акумулятор ще називають кислотним або стартерним. Кожна банка дає струм . ККД = 85%.
Кислотні акумулятори мають більший струм розрядки, ніж лужні, тому приміняються як стартерні; більшу напругу і ємність; більший К.К.Д.
Недоліки: велика вага; саморозряд і зменшення ємності; бояться перевантаження; вимогливий до навколишнього середовища.
Лужні акумулятори
До лужних акумуляторів належить залізо–нікелевий.
Він зроблений із стальних градчастих пластин із яких катодні пластини заповнюються активною масою із стружки або ошурок заліза, спресованих з оксидом кадмію ( ). Анодні заповнюються активною масою із оксиду, а частіше з гідроксиду нікелю ), з добавкою 20% графіту, для кращої електропровідності. Їх на одну пластину більше, ніж катодних. Між пластинами знаходяться пластмасові сітки (сепаратори), щоб вони не замикали. Пластини поміщають в стальну банку. Електролітом служить 23% розчин КОН або з добавкою
(для збільшення терміна служби). Щільність 1,19 – 1,21 г/см оС (при температурі – оС щільність повинна бути 1,27 – 1,30 г/см ). При розряджені акумулятора мають місце слідуючи процеси: