Свинцовая аккумуляторная батарея

Аккумуляторами называют гальванические элементы, которые можно полностью регенерировать, производя их зарядку.

 

Наиболее распространены аккумуляторы:

 

свинцовый	никель – железный	никель – кадмиевый
Pb | PbSО4 | PbO2 | Pb	Fe | KOH | NiOOH | Ni	Cd | KOH | NiOOH | Ni

 

Разработаны и применяются серебряно–цинковые аккумуляторы:

 

Zn | KOH + K₂ ZnO₂ | AgO или Ag₂ O | Ag.

 

Одной из наиболее распространённых является свинцовая аккумуляторная батарея, которая используется в автомобилях. Такая батарея напряже­нием 12 В состоит из шести элементов (аккумуляторов), каждый из которых даёт напряжение 2В. Анод каждого элемента выполнен из свинца, катод – из диоксида свинца РbО₂, заполняю­щего металлическую решётку. Оба электрода погружены в серную кислоту.

В процес­се разрядки в батарее протекают электродные реакции:

 

	А: Pb + HSO4– ® PbSO4 + H+ + 2ē
	К: PbO2 + HSO4– + 3H+ + 2ē ® PbSO4 + 2H2O
	Pb + PbO2 + 2H+ + 2HSO4– ® 2PbSO4 + 2H2O.

Реагенты Рb и РbО₂, между которыми происходит перенос электронов, служат элек­тродами. Поскольку это твёрдые вещества, то отпадает необходи­мость в разделении электрохимического элемента на анодное и катодное отделения. Между Рb и РbО₂ нет прямого физического контакта, если конечно одна электродная пластина случайно не соприкоснётся с другой. Чтобы предотвратить соприкосновение электродов, между ними помещают перегородки из стекловолокна. Для повышения силы снимаемого электрического тока в каждом элементе помещено несколько анодных и катодных пластин, как это показано на рис. 5.

Из приведённых уравнений видно, что в процессе разрядки свинцовой аккумуляторной ба­тареи и на катоде, и на аноде образуется одно и то же вещество – нерастворимая соль PbSO₄, и расходуется серная кислота. Раствор электролита в свежезаряжённой батарее имеет плотность 1,25–1,30 г/см³, которая в процессе разрядки уменьшается.

 

Рис. 6.Ареометр, предназначенный для изме­рения плотности электролита в свинцовом акку­муляторе
Рис. 5. Свинцовая аккумуляторная батарея

 

Если плотность раствора электролита становится ниже 1,20 г/см³, батарея нуждается в перезарядке. Плот­ность электролита измеряют при помощи ареометра. Этот прибор, изображённый на рис. 6, снабжён поплавком, который погружается в жидкость на глубину, завися­щую от её плотности. Существует разновидность свинцовых аккумуляторов, в ко­торых роль электролита играет гель, пропитанный H₂SO₄; такие батареи используют­ся в запаянном виде.

Свинцовая аккумуляторная батарея удобна тем, что её можно перезаряжать. Для этого аккумуляторную батарею подключают к внешнему источнику энергии, который позволяет обращать напра­вление окислительно-восстановительной реакции. Во время зарядки в батарее протекает реакция

 

2PbSO₄ + 2H₂O ® Pb + PbO₂ + 2H⁺ + 2HSO₄^–.

 

В автомобиле необходимую для перезарядки батареи энергию получают от генерато­ра, который приводится в действие двигателем. Перезарядка возможна благодаря то­му, что PbSO₄, образующийся во время разрядки батареи, не отделяется от электро­дов. Поэтому при подключении внешнего источника тока на одном электроде PbSO₄ превращается в Рb, а на другом – в РbО₂, то есть вновь образуются вещества, имевшиеся в свежезаряжённой бата­рее.

При слишком быстрой зарядке батареи возможно разложение воды на водород и кислород и образование взрывоопасной газообразной смеси Н₂ и О₂. Кроме того, эта вторичная реакция приводит к сокраще­нию срока службы батареи. Выделение Н₂ и О₂ вызывает механиче­ское удаление Рb, РbО₂ и PbSO₄ с поверхности электродов и накопление этих веществ в виде шлама в нижней части батареи. Со временем это может вызвать короткое за­мыкание в батарее и вывести её из строя.

7. НИКЕЛЬ – КАДМИЕВАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ

 

Никель – кадмиевая перезаряжаемая батарея удобна в различных бытовых приборах, питаемых аккумуляторами, и в пере­носных вычислительных устройствах. При разрядке в этой батарее протекают следую­щие электродные реакции:

 

А: Cd + 2OH^¯ ® Cd (OH)₂ + 2ē

 

К: NiO₂ + 2H₂O + 2ē ® Ni(OH)₂ + 2OH^¯.

 

Как и в свинцовой аккумуляторной батарее, в никель – кадмиевых батареях продукты реакции не отделяются от электродов. Это позволяет легко проводить обратные реак­ции при перезарядке. Поскольку ни на стадии разрядки, ни на стадии зарядки не про­исходит выделения газов, никель – кадмиевую батарею можно герметизировать, что представляет собой значительное удобство.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

 

Многие вещества, например водород Н₂ или метан СН₄, используются как топлива. Выделяемая при их реакции с кислородом теплота является источником электрической энергии. Выделяемую при горении тепловую энергию превращают в электрическую в особых гальванических элементах, называемых "топливными".

Прямое преобразование химической энергии в электрическую имеет большие преимущества по сравнению с обычным способом превращения химической энергии сначала в тепловую и лишь после этого в электрическую энергию. При превращении энергии из одной формы в другую или при её передаче от одного вещества к другому происходят неиз­бежные потери энергии и тепловое загрязнение окружающей среды. Обычно в элек­трическую энергию удаётся превратить не более 40 % энергии, полученной в результа­те сгорания топлив; остальная часть рассеивается в окружающую среду в виде бесполезной теплоты. Первые топливные элементы своё название "топливные" получили потому, что реагентами в них служили традиционные топлива. В дальнейшем вместо неэффективных топлив стали использовать другие восстановители, но название "топливные" осталось.

В топливных элементах электрическая энергия образуется в результате химической реакции между восстановителем и окислителем, непрерывно поступающими к электродам извне. Восстановителем на отрицательном электроде чаще всего служит водород Н₂, иногда гидразин N₂H₄, окислителем на положительном электроде – молекулярный кислород О₂ или воздух.

Разработка практически действующих топливных элементов является наукоёмким процессом. Одной из возникающих при этом проблем являет­ся высокая температура, при которой работает большинство топливных элементов, что не только способствует рассеянию энергии, но и ускоряет коррозию частей гальвани­ческого элемента. Низкотемпературный топливный элемент, в котором ис­пользуется водород, пока слишком дорог для широкого применения. Однако он используется в специальных устройствах, например для оснащения космических аппаратов.

Так, например, топливный элемент на основе Н₂ – О₂ служил в качестве главного ис­точника электрической энергии на космических кораблях, летавших на Лу­ну. Масса топливного элемента, обеспечивавшего космический корабль энергией в течение 11-днев­ного полёта, составляла около 250 кг. Если бы для такой цели применялся обычный генератор электрической энергии, его масса должна была бы составлять несколько тонн.

В водородно – кислородном топливном элементе на электродах протекают реакции:

 

	А: 2Н2 + 4ОН¯ ® 4Н2О + 4ē
	К: О2 + 2Н2О + 4ē ® 4ОН¯
	2Н2 + О2 ® 2Н2О.

Схематическое изображение такого топливного элемента приведено на рис. 7.

 

Рис. 7.Схема водородно – кислородного топливного элемента:

1 – пористые угольные электроды; 2 – вольтметр

 

Электроды выполнены в виде полых трубок из пористого спрессованного угля, пропитанного катализатором. Электролитом служит гидроксид калия КОН. Такой топливный элемент работает до тех пор, пока в него ведётся подача реагентов (газообразных Н₂ и О₂).

Система, состоящая из батареи топливных элементов и устройств для обеспечения и регулирования подачи реагентов, отвода продуктов реакции и тепла, называется электрохимическим генератором.

 

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

1. Гальванический элемент состоит из никелевой и кадмиевой пластин, опущенных в водные растворы солей с кон­центрациями ионов Ni²⁺ и Cd²⁺, равными 0,001 и 0,1 моль/л соответственно. Вычислите ЭДС и составьте схему гальванического элемента. Напишите уравнения электродных процессов.

Решение.

Поскольку электродные потенциалы металлов не являются стандартными (концентрации ионов не равны 1 моль/л), оп­ределяем их значения по уравнению Нернста для электродов I рода:

 

;

 

.

 

Так как кадмиевый электрод имеет меньшее значение электродного потенциала, то он является анодом, а никелевый электрод – катодом.

Схема гальванического элемента:

 

– Cd | Cd²⁺ || Ni²⁺ | Ni +.

 

Уравнения электродных процессов:

 

A: Cd – 2ē ® Cd²⁺;

 

K: Ni²⁺ + 2ē ® Ni,

 

 

 

Ответ: 0,096 В.

 

2. Электродный потенциал оловянного электрода I рода равен -0,126 В. Вычислите равновесную концентрацию ионов Sn²⁺.

Решение.

Учитывая, что на оловянном электроде устанавливается равновесие

Sn – 2ē Sn²⁺,

уравнение Нернста будет иметь следующий вид:

 

.

 

Подставляем в уравнение значения

 

, Е = –0,126 В и z = 2

 

-0,126 = -0,136 + 0,0295 · lg [Sn²⁺],

 

и вычисляем равновесную концентрацию ионов Sn²⁺:

 

;

 

lg [Sn²⁺] = 0,339;

 

[Sn²⁺] = 2,183 моль/л.

 

Ответ: 2,183 моль/л.

3. Составьте схему, напишите уравне­ния электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемен­та, в котором одна хромовая пластина находится в 0,1 М растворе Cr₂(SO₄)₃, а другая – в 0,001 М растворе такой же соли.

Решение.

Вычисляем электродные потенциалы хромовых электродов по уравнению Нернста:

 

.

 

Так как на каждом электроде устанавливается равновесие

 

Сr – 3ē Сr³⁺,

 

то z = 3. Следовательно:

 

;

 

.

 

Поскольку электродный потенциал хрома в 0,001 М растворе мень­ше, чем в 0,1 М растворе, то схема гальванического эле­мента будет иметь вид:

 

- Cr | 0,001 M Cr₂(SO₄)₃ || 0,1 M Cr₂(SO₄)₃ | Cr +.

 

Уравнения электродных процессов:

 

A: Cr – 3ē ® Cr³⁺;

 

K: Cr³⁺ + 3ē ® Cr.

 

 

 

Ответ: 0,079 В.

 

ЗАДАЧИ