«Арзамасский Государственный Педагогический Институт им А. П. Гайдара»
Курсовая работа
по химии
Тема: Гальванические элементы
Выполнил: студент 5 курса
ЕГФ 52 гр. Б2 подгр. Ширшин Н.В.
Принял: Киндеров А.П.
План
Введение
I. История создания химических источников тока
II. Принцип действия
III. Классификация, устройство и принцип действия химических источников тока
1. Гальванический элемент
2. Электрические аккумуляторы
А) Щелочные аккумуляторы
3. Топливный элемент
А) Принцип действия
Б) Принцип разделения потоков топлива и горючего
В) Пример водородно-кислородного топливного элемента
Г) История исследований в России
Д) Применение топливных элементов
Е) Проблемы топливных элементов
IV. Эксплуатация элементов и батарей
V. Регенерация гальванических элементов и батарей
VI. Особенности некоторых видов гальванических элементов и их краткие характеристики
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Химические источники тока в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источниках тока. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили. В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель - железные и никель - кадмиевые. Они применяются в портативных электронных вычислительных машинах (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр.
В силу ряда обстоятельств химические генераторы электрической энергии являются наиболее перспективными. Их преимущества проявляются через такие параметры, как высокий коэффициент выхода энергии; бесшумность и безвредность; возможность использования в любых условиях, в том числе в космосе и под водой, в стационарных и переносных устройствах, на транспорте и т.д.
В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно – важных систем.
Цели и задачи . В данной работе мне необходимо разобрать принцип действия гальванических элементов, познакомиться с историей их создания, особенностями классификации и устройством различных видов гальванических элементов, а также применением в тех или иных видов химических источников тока в повседневной жизни и различных сферах производства.
I . История создания химических источников тока
Химические источники тока (аббр. ХИТ) - устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.
История создания
Вольтов столб
Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта - сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая в последствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение в последствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля». В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах. В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств. В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».
II . Принцип действия
Устройство «багдадских батареек» (200 г. до н. э.).
Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов - электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.
В современных химических источниках тока используются:
в качестве восстановителя (на аноде) - свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
в качестве окислителя (на катоде) - оксид свинца(IV) PbO2, гидроксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
в качестве электролита - растворы щелочей, кислот или солей.
III . Классификация, устройство и принцип действия
По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:
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.
БАТАРЕИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ - группы электрически соединенных между собой гальванических элементов, которые вырабатывают электроэнергию за счет хим. реакции, происходящей между активными материалами электродов. В батареи гальванической чаще всего используются гальванические элементы, у которых положительный электрод изготовлен из смеси двуокиси марганца и графита, а отрицательный - из цинка. В качестве электролита обычно используется раствор хлористого аммония (нашатыря) и других хлористых солей. Такие элементы называются марганцево-цинковыми.
Рис. 1. Сухой элемент стаканчикового типа: 1 - отрицательный электрод (цинк), 2 - картонный футляр, 3 -токоотводы, 4 - колпачок, 5 - положительный электрод, 6 - слой электролита (пасты), 7 - смола, 8 - картонная шайба, 9 - изоляционная прокладка, 10 - стеклянная трубка (газоотвод)
Иногда в состав положительного электрода, кроме двуокиси марганца и графита, добавляется активированный уголь, который поглощает кислород из окружающей атмосферы, чем позволяет использовать его в хим. реакции. Такие элементы называются марганцево - воздушно - цинковыми. Они отличаются большей емкостью и меньшей себестоимостью. Для специальных целей применяются угольно - цинковые и железо - угольные наливные элементы, обладающие большим постоянством напряжения. Ввиду неудобства эксплуатации наливных элементов с жидким электролитом последний при помощи муки, крахмала, картона или других наполнителей переводится в вязкое состояние, благодаря чему он теряет свою текучесть и не выливается из элемента при любом положении. Такие элементы получили название сухих.
Различают два основных типа сухих элементов: стаканчиковый и галетный. У стаканчикового элемента (рис. 1) отрицательный электрод (цинковый полюс) выполнен в виде цилиндрического цельнотянутого или имеющего продольный шов (паяный, сварной, вальцованный) прямоугольного стакана. Положительный электрод представляет собой цилиндр или призму, напрессованную на угольный стержень, служащий токоотводом. Положительный электрод помещается внутри отрицательного, а пространство между ними заполняется сгущенным электролитом. У галетного элемента (рис.2) электроды имеют вид пластинок, которые разделены пропитанной электролитом картонной диафрагмой. Все детали стянуты упругим винилхлоридным ободом (кольцом). Токоотводом служит непроницаемый для электролита слой электропроводной массы, нанесенный на внешнюю сторону цинкового электрода. Марганцево - воздушно - цинковые элементы выпускаются только стаканчикового типа.
Рис. 2. Сухой элемент галетного типа: 1 - отрицательный электрод (цинк) с электропроводным слоем, 2 - положительный электрод, 3 - картонные диафрагмы, пропитанные электролитом, 4 - бумага обертки положительного электрода, 5 - хлорвиниловое кольцо
Основными показателями элемента являются его электродвижущая сила (э. д. с.) и напряжение, величина которых измеряется вольтметром (см.), в первом случае - при отсутствии нагрузочного сопротивления, во втором - при подключении обусловленного стандартом нагрузочного сопротивления. Э. д. с. марганцево - цинковых элементов колеблется от 1,5 до 1,8 В, э. д. с. марганцево - воздушно - цинковых элементов равна 1,4 В. Величина напряжения элемента всегда меньше э. д. с., разница между ними возрастает с уменьшением нагрузочного сопротивления. Важнейшими параметрами батарей гальванических являются также количество отдаваемой ими электроэнергии и способность сохранять ее на протяжении длительного времени (сохранность). Количество отдаваемой энергии измеряется либо продолжительностью работы элемента в часах, либо его электрической емкостью в а - час. Поскольку напряжение элемента при разряде падает, то в техн. документации всегда оговаривается нижний предел напряжения (конечное напряжение), определяющий нижнюю границу его работоспособности. При заданном конечном напряжении электрическая емкость элемента, а значит и продолжительность его работы зависят также от темп-ры и величины нагрузочного сопротивления (см. табл. 1), а также периодичности разряда.
Емкость батарей гальванических увеличивается с увеличением нагрузочного сопротивления и повышением темп-ры. Наиболее низкая темп-ра, при которой возможна работа элементов: для марганцево-цинковых -20°, для марганцево - воздушно - цинковых -5°. Периодичность разряда характеризуется чередованием и длительностью периодов разряда и отдыха элемента. Как правило, марганцево - цинковые элементы при прерывистом разряде отдают большую емкость, чем при непрерывном, а марганцево - воздушно - цинковые элементы, наоборот, меньшую.
Сохранностью батарей гальванических (элемента) называется срок от момента изготовления до начала эксплуатации, в продолжении которого изделие сохраняет свою работоспособность. Величина остающейся емкости (или продолжительности работы) оговаривается стандартом и обычно составляет 60-75% первоначальной.
Срок сохранности, указываемый на этикетке, является минимальным и почти всегда батареи гальванические и элементы могут быть использованы еще в течение некоторого времени. Годность их в этом случае определяется по напряжению.
Соединение элементов в батареи гальванические может быть последовательное, параллельное и смешанное. При последовательном соединении положительный полюс одного элемента присоединяется к отрицательному полюсу последующего элемента и т. д. (рис.3).
Рис. 3. Схема последовательного соединения элементов
Рис. 4. Схема параллельного соединения элементов батареи
Рис. 5. Смешанное соединение элементов батареи
Такое соединение элементов применяется для создания более высокого напряжения батареи гальванической, которое в этом случае прямо пропорционально числу последовательно соединенных элементов. Емкость батареи гальванической при этом не изменяется и равна емкости отдельного элемента. Параллельное соединение осуществляется путем соединения между собой, с одной стороны, всех положительных полюсов элементов, с другой - отрицательных (рис. 4). При этом возрастает емкость батареи гальванической, а напряжение ее остается равным напряжению отдельного элемента. При смешанном соединении применяются оба указанных выше способа: собирается несколько одинаковых групп с последовательным соединением элементов, которые соединяются между собой параллельно (рис. 5). При этом возрастают соответственно и напряжение и емкость.
В зависимости от назначения батареи гальванической подразделяются на анодные, сеточные, накальные и фонарные.
Анодные батареи гальванические (рис. 6) предназначаются для питания анодных цепей радиоприемников.
Рис. 6. Батарея БС-Г-70
Их напряжение сравнительно высоко - от 60 до 120 В. Используются они для небольшого тока - от 3 до 12 ма. Обычно эти батареи гальванические имеют дополнительные токоотводы в виде гнезда в панели или мягких проводов, которые позволяют использовать сначала часть батареи гальванической и подключать остальную ее часть по мере падения напряжения. Этот режим носит название секционного разряда и позволяет в известных пределах увеличить продолжительность службы батареи гальванической.
Сеточные батареи гальванические предназначаются для создания напряжения смещения на сетках радиоламп.
Рис. 7. Батарея БСГ-60-С-8
В них применяется последовательное соединение. Напряжение от 4,5 до 12,0 В. Расход тока не превышает 3 ма. Монтируются в одном футляре с батареями гальваническими анодными (рис. 7) и составляются из одинаковых с ними элементов.
Накальные батареи гальванические (рис. 8) предназначены для питания накальных нитей радиоламп.
Рис. 8. Батарея БНС-МВД-500
Для стационарных батарейных радиоприемников ("Родина", "Искра" и т. п.) накальные батареи гальванические с целью создания большей емкости составляются из четырех параллельно соединенных марганцево - воздушно - цинковых элементов большого размера. Напряжение их равно напряжению одного элемента, а расход тока от 0,3 до 0,5 а. В накальных батареях гальванических переносных батарейных радиоприемников применяется параллельное и смешанное соединение небольших элементов. Для батарейного радиоприемника "Тула" пром-стью выпускается комплект питания, в специальном футляре, состоящий из анодной и накальной батареи гальванической (рис. 9).
Рис. 9. Комплект - питания для радиоприемника "Тула"
Фонарные батареи гальванические предназначаются для питания лампочек карманных фонарей. Они характеризуются большим расходом тока (от 150 до 280 а) при небольшом напряжении (3,0- 4,5 в) и малыми габаритами. Наибольшее распространение получили батареи гальванические типа КБС-Л-0,50 (рис. 10), состоящие из трех последовательно соединенных элементов. Для фонарей круглого сечения и измерительных приборов (омметров, авометров и т. п.) пром-стью выпускаются элементы цилиндрической формы типа ФБС, последовательное соединение между которыми при необходимости осуществляется непосредственно при вложении их в корпус фонаря (прибора).
Рис. 10. Батарея для карманного фонаря КБС-Л-0,50
Условные обозначения элементов обычно состоят из четырех частей. Начальная цифра указывает габариты (в мм): №2 - 40х40х100, №3-55x55x130, № 6 - 80x80x175; буквы - С - сухой, Л - летний, X - хладостойкий; следующие затем цифры указывают емкость элемента. Так, 3С-Л-30 означает: элемент № 3, сухой, летний, емкостью 30 а-час. Наименование батарей гальванических, начинающееся с буквенных обозначений, состоит из 4-5 частей, имеющих следующие значения: Б - батарея, А - анодная, Н - накальная, С - сухая, Г - галетная, Ф - фонарная, К - карманная. Число после букв у анодных батарей гальванических показывает напряжение, у накальных - емкость. Однако иногда в обозначении батарей гальванических анодных буква А опускается, а в конце обозначения добавляется второй численный показатель - емкость батареи гальванической. Наименования батарей гальванических, начинающиеся с цифр, имеют следующие значения: начальная цифра обозначает напряжение, конечная - емкость, буквы: МЦ - марганцевоцинковая система, В - указывает на использование кислорода воздуха, Н - накальная, А - анодная, Т - телефонная, С - для слуховых аппаратов, П - панель. Батареям гальваническим, предназначенным для питания радиоприемников, кроме того, даны товарные наименования. Маркируются батареи гальванические путем наклейки этикетки с указанием: наименования или товарного знака предприятия - изготовителя, условного обозначения батарей гальванических, номинального напряжения, начальной емкости, гарантийного срока хранения и емкости в конце срока хранения.
Годность батарей гальванических и элементов определяется внешним осмотром и замерением напряжения на токоотводах. При осмотре следует убедиться в целости токоотводов и отсутствии наружных дефектов: поломок, разрушения заливочной смолки (мастики), повреждений и промокания футляра. Напряжение проверяется вольтметром; оно не должно быть ниже величин, указанных в табл. 2. Батареи гальванические упаковываются в деревянные ящики весом брутто 65-80 кг, выложенные внутри влагонепроницаемой бумагой, и отделяются от их стенок слоем сухой стружки или другого упаковочного материала. Батареи гальванические необходимо хранить в сухом и прохладном месте. Повышенная влажность в помещении для хранения, как и повышенная темп-ра, резко снижают срок их сохранности. Низкая темп-ра не опасна для батарей гальванических: после отогревания они полностью восстанавливают свои свойства. Батареи гальванические изготовляются предприятиями Главаккумуляторпрома Министерства электротехнической промышленности СССР.
Лит.: Сочеванов В.Г., Гальванические элементы, М., 1951; Морозов ГГ. и Гантмав С.А., Химические источники тока для питания средств связи, М., 1949; Сводный каталог на химические источники тока, М., 1950.
Гальванический элемент
Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби
Гальвани́ческий элеме́нт - , основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите , приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани .
Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом , профессором медицины Болонского университета Луиджи Гальвани в 1786 году. Гальвани описал сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закрепленных на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля . Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества».
Электрохимические генераторы (топливные элементы) - это элементы, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам. В процессе работы топливного элемента электродые не расходуются. Восстановителем является водород (H 2), метанол (CH 3 OH), метан (CH 4) в жидком или газообразном состоянии. Окислителем обычно является кислород воздуха или чистый. В кислородно-водородном топливном элементе со щелочным электролитом происходит превращение химической энергии в электрическую. Энергоустановки применяются на космических кораблях, они обеспечивают энергией космический корабль и космонавтов.
| Гальванический элемент | Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона |
|---|---|
| Электрические аккумуляторы | Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый |
| Топливные элементы | Прямой метанольный | Твердооксидный | Щелочной |
| Модели | Батарея | Электрический аккумулятор | Топливный элемент |
| Устройство | Анод | Катод | Электролит |
Гальванический элемент - это химический источник тока, в котором энергия, выделяющаяся при протекании на электродах окислительно-восстановительной реакции, непосредственно преобразуется в электрическую энергию.
Рис. 9.2. Схема гальванического элемента Даниэля - Якоби
Здесь I - стакан, содержащий раствор ZnSO 4 в воде с погруженной в него цинковой пластинкой; II - стакан, содержащий раствор CuSO 4 в воде с погруженной в него медной пластинкой; III - солевой мостик (электролитический ключ), который обеспечивает перемещение катионов и анионов между растворами; IV - вольтметр (нужен для измерения ЭДС, но в состав гальванического элемента не входит).
Стандартный электродный потенциал цинкового электрода 
. Стандартный электродный потенциал медного электрода 
. Так как 
, то атомы цинка будут окисляться:
Электрод, на котором идет реакция восстановления или которыйпринимает катионы из электролита , называется катодом.
Через электролитический ключ происходит движение ионов в растворе: анионов SO 4 2- к аноду, катионов Zn 2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.
Реакции (а) и (б) называются электродными реакциями.
Складывая уравнения процессов, протекающих на электродах, получаем суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в гальваническом элементе:
В общем случае, суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в произвольном гальваническом элементе, можно представить в виде:
Схема гальванического элемента Даниэля - Якоби имеет вид:
Zn | ZnSO 4 || CuSO 4 | Cu
Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента Е . Она вычисляется по формуле;
где n - число электронов в элементарном окислительно-восстановительном акте, F - число Фарадея.
Величина изменения изобарно-изотермического потенциала токообразующей реакции при стандартных условиях?G 0 связана с константой равновесия этой реакции К равн соотношением
| (9.6) |
Гальванические элементы являются первичными (однократно используемыми) химическими источниками тока (ХИТ). Вторичными (многократно используемыми) ХИТ являются аккумуляторы. Процессы, протекающие при разряде и заряде аккумуляторов, взаимнообратны.
Гальванические элементы, у которых электроды выполнены из одного и того же металла и опущены в растворы своих солей разной концентрации, называются концентрационными . Функцию анода в таких элементах выполняет металл, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, например:
Пример 1. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция: Mg + ZnSO 4 = MgSO 4 + Zn. Что является катодом и анодом в этом элементе? Напишите уравнения процессов, протекающих на этих электродах. Рассчитайте ЭДС элемента при стандартных условиях. Вычислите константу равновесия для токообразующей реакции.
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.
