Батарея гальванічних елементів. Гальванічні елементи. Види та пристрій. Робота та особливості
Малопотужні джерела електричної енергії
Для живлення переносної електро- та радіоапаратури застосовують гальванічні елементи та акумулятори.
Гальванічні елементи- це джерела одноразової дії, акумулятори- Джерела багаторазової дії.
Найпростіший гальванічний елемент
Найпростіший елемент може бути виготовлений з двох смужок: мідної та цинкової, занурених у воду, злегка підкислену сірчаною кислотою. Якщо цинк досить чистий, щоб бути вільним від місцевих реакцій, жодних помітних змін не станеться, доки мідь і цинк не будуть з'єднані проводом.
Однак смужки мають різні потенціали одна до іншої, і коли вони будуть з'єднані проводом, в ньому з'явиться . У міру цієї дії цинкова смужка буде поступово розчинятися, а поблизу мідного електрода утворюватимуться бульбашки газу, що збираються на його поверхні. Цей газ - водень, що утворюється з електроліту. Електричний струм йде від мідної смужки з дроту до цинкової смужки, а від неї через електроліт назад до міді.
Поступово сірчана кислотаелектроліту заміщається сульфатом цинку, що утворюється з розчиненої частини цинкового електроду. Завдяки цьому напруга елемента зменшується. Однак ще сильніше падіння напруги викликається утворенням газових бульбашок на міді. Обидві ці дії роблять «поляризацію». Подібні елементи немає майже ніякого практичного значення.
Важливі параметри гальванічних елементів
Величина напруги, що дається гальванічними елементами, залежить тільки від їх типу та пристрою, тобто від матеріалу електродів та хімічного складуелектроліту, але не залежить від форми та розмірів елементів.
Сила струму, яку дає гальванічний елемент, обмежується його внутрішнім опором.
Дуже важливою характеристикоюгальванічного елемента є. Під електричною ємністю мається на увазі кількість електрики, яке гальванічний або акумуляторний елемент здатний віддати протягом усього часу своєї роботи, тобто до настання остаточного розряду.
Віддана елементом ємність визначається множенням сили розрядного струму, вираженої в амперах, на якийсь час у годинах, протягом якого розряджався елемент аж до настання повного розряду. Тому електрична ємність виявляється завжди в ампер-годинниках (Ах год).
За величиною ємності елемента можна також заздалегідь визначити, скільки годин він буде працювати до настання повного розряду. Для цього необхідно ємність розділити на допустиму для цього елемента силу розрядного струму.
Однак електрична ємність не є величиною строго постійною. Вона змінюється у досить великих межах залежно від умов (режиму) роботи елемента та кінцевої розрядної напруги.
Якщо елемент розряджати граничною силою струму і до того ж без перерв, він віддасть значно меншу ємність. Навпаки, при розряді того ж елемента струмом меншої сили та з частими та порівняно тривалими перервами елемент віддасть повну ємність.
Що ж до впливу на ємність елемента кінцевого розрядного напруги, необхідно пам'ятати, що у процесі розряду гальванічного елемента його робоче напруга залишається на рівні, а поступово знижується.
Найпоширеніші види гальванічних елементів
Найбільш поширені гальванічні елементи марганцево-цинкової, марганцево-повітряної, повітряно-цинкової та ртутно-цинкової систем із сольовим та лужним електролітами. Сухі марганцево-цинкові елементи з сольовим електролітом мають початкову напругу від 1,4 до 1,55, тривалість роботи при температурі навколишнього середовища від -20 до -60 про С від 7 год до 340 год.
Сухі марганцево-цинкові та повітряно-цинкові елементи зі лужним електролітом мають напругу від 0,75 до 0,9 В та тривалість роботи від 6 год до 45 год.
Сухі ртутно-цинкові елементи мають початкову напругу від 1,22 до 1,25 і тривалість роботи від 24 год до 55 год.
Найбільший гарантійний термін зберігання, що досягає 30 місяців, має сухі ртутно-цинкові елементи.
Це вторинні гальванічні елементи.На відміну від гальванічних елементів в акумуляторі відразу після складання ніякі хімічні процесине виникають.
Щоб в акумуляторі почалися хімічні реакції, пов'язані з рухом електричних зарядів, потрібно відповідним чином змінити хімічний склад електродів (а частиною і електроліту). Ця зміна хімічного складу електродів відбувається під дією електричного струму, що пропускається через акумулятор.
Тому, щоб акумулятор міг давати електричний струм, його потрібно «зарядити» постійним електричним струмом від якого-небудь стороннього джерела струму.
Від звичайних гальванічних елементів акумулятори вигідно відрізняються тим, що після розряду вони знову можуть бути заряджені. При хорошому догляді за ними та за нормальних умов експлуатації акумулятори витримують до кількох тисяч зарядів та розрядок.
Пристрій акумулятора
В даний час найчастіше на практиці застосовують свинцеві та кадмієво-нікелеві акумулятори. У перших електроліт служить розчин сірчаної кислоти, а у других - розчин лугів у воді. Свинцеві акумулятори називають також кислотними, а нікелеві кадмієво - лужними.
Принцип роботи акумуляторів ґрунтується на поляризації електродів. Найпростіший кислотний акумулятор влаштований так: це дві свинцеві пластини, опущені в електроліт. В результаті хімічної реакції заміщення пластини покриваються слабким нальотом сірчанокислого свинцю PbSO4, як це випливає з формули Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 .
Пристрій кислотного акумулятора
Такий стан пластин відповідає розрядженому акумулятору. Якщо тепер акумулятор увімкнути на заряд, тобто підключити його до генератора постійного струму, то в ньому внаслідок електролізу почнеться поляризація пластин. В результаті заряду акумулятора його пластини поляризуються, тобто змінюють речовину своєї поверхні, і з однорідних (PbSO 4) перетворюються на різнорідні (Pb і Pb 2).
Акумулятор стає джерелом струму, причому позитивним електродом у нього служить пластина, покрита двоокис свинцю, а негативним - чиста свинцева пластина.
До кінця заряду концентрація електроліту підвищується внаслідок появи у ньому додаткових молекул сірчаної кислоти.
У цьому одна з особливостей свинцевого акумулятора: його електроліт не залишається нейтральним і сам бере участь у хімічних реакціях під час роботи акумулятора.
До кінця розряду обидві пластини акумулятора знову покриваються сірчанокислим свинцем, у результаті акумулятор перестає бути джерелом струму. До цього стану акумулятор ніколи не доводять. Внаслідок утворення сірчанокислого свинцю на пластинах концентрація електроліту в кінці розряду знижується. Якщо акумулятор поставити на заряд, знову можна викликати поляризацію, щоб знову поставити його на розряд і т.д.
Існує кілька способів заряджання акумуляторів. Найпростіший - нормальний заряд акумулятора, який відбувається в такий спосіб. Спочатку протягом 5 - 6 год заряд ведуть подвійним нормальним струмом, поки напруга на кожній акумуляторній банці не досягне 2,4 В.
Нормальний зарядний струм визначають за формулою I зар = Q/16
Де Q - Номінальна ємність акумулятора, Ач.
Після цього зарядний струм зменшують до нормального значення і продовжують заряд протягом 15 - 18 год, до появи ознак кінця заряду.
Сучасні акумулятори
Кадмієво-нікелеві, або лужні акумулятори, з'явилися значно пізніше свинцевих і порівняно з ними є більш досконалими хімічними джерелами струму. Головна перевага лужних акумуляторів перед свинцевими полягає в хімічній нейтральності їхнього електроліту по відношенню до активних мас пластин. Завдяки цьому саморозряд у лужних акумуляторів виходить значно менше, ніж у свинцевих. Принцип дії лужних акумуляторів також ґрунтується на поляризації електродів при електролізі.
Для живлення радіоапаратури випускають герметичні кадмієво-нікелеві акумулятори, які працездатні при температурах від -30 до +50 про З і витримують 400 - 600 циклів заряд-розряд. Ці акумулятори виконують у формі компактних паралелепіпедів та дисків з масою від кількох грамів до кілограмів.
Випускають нікель-водневі акумулятори для енергопостачання автономних об'єктів. Питома енергія нікель-водневого акумулятора становить 50-60 Вт ч кг -1.
Деталі Категорія: Переглядів: 1740
ГАЛЬВАНІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ, первинні елементи, джерела електричної енергії, одержуваної безпосередньо в самих приладах за рахунок хімічної енергії речовин, що входять до них, здатних до дисоціації електролітичної. Відомі випадки (концентраційні ланцюги), коли можливе гальванічне одержання електричної енергії, не пов'язане з хімічними перетвореннями; тому ширше поняття - гальванічної ланцюга - охоплює і групу явищ суто фізичного характеру, які, проте, як джерело електричної енергії як особливого приладу не застосовуються.
Внутрішній пристрій будь-якого гальванічного елемента включає наступні частини: 1) іонізоване середовище, складене з провідників другого класу (електролітів), що представляють у практично застосовуваних гальванічних елементах (гідроелектричних елементах) водні розчини хімічних сполук; 2) електроди з провідників першого класу (металів, оксидів з металевою провідністю тощо), що стикаються з електролітами та забезпечені висновками у зовнішній ланцюг. Вищевказані складові частини б. правильно складені в гальванічну ланцюг, умовне позначенняякої, утвореної, наприклад, з металів М 1 і М 2 і розчинів їх солей М 1 Х 1 і М 2 Х 2 наступне:
де стрілками позначено напрям струму внутрішнього і зовнішнього ланцюгів, причому ЕРС, що виникають у місцях зіткнення різнорідних частин ланцюга, повинні бути спрямовані від одного електрода до іншого.
На фіг. 1 показано правильно складений ланцюг: результуюча ЕРС спрямована від одного електрода до іншого; на фіг. 2 - неправильно складений ланцюг: два коротко замкнені ланцюги, ЕРС яких спрямовані вздовж електродів і результуюча дорівнює нулю. Схема струмопроходження в замкнутому гальванічному ланцюгу представлена на фіг. 3.
Для електрода, у якому відбувається розряд негативно заряджених іонів, (аніонів), в електрохімії встановилася назва анода ; для того ж, на якому відбувається розряд позитивних іонів катіонів) - катода. Таким чином, у внутрішньому ланцюзі гальванічного елемента анодом є негативний електрод, а катодом - позитивний. При пропущенні струму ззовні виникає зворотний напрямок струму, або розряд аніонів на позитивному електроді, зробить його анодом, а розряд катіонів зробить негативний електрод катодом. З точки зору хімії, процес, що відбувається на аноді, ідентичний реакції окислення, а зворотний процесна катоді – реакції відновлення.
I. Теорія гальванічних елементів. Як джерело електричного струму гальванічний елемент вивчають: 1) з боку його електричних характеристик, 2) з боку пов'язаних із проходженням струму хімічних перетворень та 3) з боку фізичного стану та фізико-хімічних властивостей діючих речовин.
Загальні характеристики гальванічного елемента. Характерними величинами будь-якого гальванічного елемента є: Е - ЕРС; V = f(I, R, t) – напруга замкнутого елемента, як функція сили струму I, зовнішнього опору R та часу розрядки t; r - внутрішній опір, що залежить від розмірів електродів та опору електроліту; іноді r = f(t, t"), тобто r є функцією часу розрядки t або часу зберігання t"; ЕРС поляризації Ер = f(I, t) іноді об'єднується з r під загальною назвою - внутрішні втрати, іноді Ep виражається в % від Е. Рівняння, що зв'язують ці величини, такі:
Вважаючи ЕРС поляризації пропорційної силі струму, тобто Ер = k∙I, що близько до дійсності, і приймаючи k + r = c, отримаємо вираз зовнішньої характеристикигальванічного елемента:
де с" = c∙V, і сили струму:
при послідовному з'єднанні n елементів у батарею:
при паралельному з'єднанні n елементів:
Інша угруповання елементів у батареях нині майже застосовується. Електрорушійна сила:
потужність
максимальна потужність при R = с
Графічно зовнішні характеристики для гальванічного елемента, у якого Е = 1 V і = 1 Ом, зображені на фіг. 4; Зрозуміло, що гальванічні елементи сутнісно призначені до роботи за дуже малої розрядної потужності, т. до. максимальна корисна потужність становить лише 25% можливу при даної силі струму і напрузі ланцюга = ЕРС джерела.
Ємність струму; при I = Const,
при R = Const,
де t 0 - Розрядний період у годинах.
Місткість по енергії:
при I = Const,
при R = Const,
Термодинамічні теорії. Хімічні процеси, що мають місце в гальванічних елементах, з погляду термодинаміки розглядають як ізотермічно оборотні та, додаючи до них рівняння вільної енергії, Отримують вираз, що зв'язує тепловий ефект хімічної реакції з електрорушійною силою гальванічних елементів. Рівняння Гельмгольця:
де Е - ЕРС гальванічного елемента V; Q – тепловий ефект у cal; n - число валентностей іонів, що вступають у хімічну реакцію, тепловий ефект якої Q; F – фарадей = 96540 С = 26,8 Ah; 0,239 - коефіцієнт перекладу J cal; Т – абсолютна температура хімічного процесу; dE/dT – температурний коефіцієнт ЕРС; для гальванічних елементів він зазвичай менше 1 mV на 1 ° (див. табл. 1).
Для даного гальванічного елемента температурний коефіцієнт ЕРС може змінювати свою величину і знак залежно від концентрації речовин, що реагують, і Т°. Наведена табл. 2, що дає значення ЕРС гальванічних елементів при різних температурах, дозволяє обчислити також відповідні значення температурного коефіцієнта ЕРС і переконатися в його мінливості.
Гальванічні елементи, що мають найменший температурний коефіцієнт, при дотриманні низки інших умов застосовуються як еталони ЕРС. При значенні dE/dT близькому або рівному нулю для обчислення ЕРС гальванічних елементів застосовна більш проста формула (правило Томсона):
Використання вищенаведених формул вимагає експериментального визначення dE/dT і точного обліку сумарного теплового ефекту хімічних реакцій гальванічних елементів, що важко і не завжди можливо. Ця складність усувається за допомогою 3-го початку термодинаміки, що дає можливість обчислювати ЕРС гальванічних елементів з одних термічних даних.
Осмотична теорія гальванічних елементів. Потенціал ε дотику пари електрод-електроліт на підставі осмотичної теорії гальванічних елементів Нернста виражається такою формулою:
де n та Т мають зазначені вище значення; R/F - електролітична газова константа, чисельне значення якої 0,864х10 -4, якщо ε виражено в V; Р – пружність розчинення електродного матеріалу; р = kС є тиск іонів у розчині, де С - концентрація іонів, виражена в грам-іонах/л. Формула Нернста дозволяє вивчати окремо явища на аноді та катоді. Більше зручно для користування її вираз залежно від концентрації іонів в електроліті:
де ? lg С)/n - поправочний член зміну концентрації, - береться зі знаком (+) у разі утворення катіонів Мà М + і зі знаком (-) у разі утворення аніонів Хà Х – . ЕРС гальванічного ланцюга виходить як різниця потенціалів окремих електродів:
При безпосередньому вимірі ε як умовний нуль застосовуються допоміжні електроди, зазвичай нормальні: водневий ε н або каломельний ε с, пов'язані рівнянням:
Абсолютний потенціал (не загальновизнана величина) випробуваного електрода через допоміжний визначається з рівнянь:
або графічно - див. фіг. 5 та табл. 3.
На фіг. 5 С вказує на потенціал щодо каломельного електроду, Н - щодо водневого електрода, pH - концентрація іонів водню, N - нормальний розчин.
Явлення в замкнутому ланцюзі (поляризація гальванічного елемента). При проходженні струму потенціали електродів, а з ними і ЕРС змінюють свої початкові значення в розімкнутому ланцюгу в залежності від щільності струму на електродах і часу розрядки гальванічного елемента, завдяки зміні опору електроліту і частково електродів і у зв'язку зі зміною в часі складу і концентрації діючих речовин. Сукупна дія цих причин, що виражається в наростанні внутрішніх втрат гальванічного елемента в міру його розрядки, зветься поляризації гальванічного елемента. Характером та ступенем поляризації (у цьому загальному сенсі) обумовлені найважливіші технічні властивості гальванічного елемента. Розрізняють наступні видигальванічної поляризації (табл. 4):
Деполяризація. У застосуванні до гальванічним елементів під деполяризацією зазвичай мають на увазі лише катодну деполяризацію через те, що проти анодної, за незначністю її, заходів не вживається. Звідси під назвою деполяризатор розуміють не додатковий матеріал, а основна речовина, що діє на катоді, що, зрозуміло, не зовсім правильно. В силу технічних та економічних причин найбільшого практичного значення набули гальванічні елементи, в яких як анод застосовано суцільний металевий, т.з. розчинний, електрод, а як катод - пористий, нерозчинний, переважно кисневий електрод.
Явлення в розімкнутому ланцюзі(Саморозряд гальванічних елементів). Побічні процеси в гальванічних елементах пов'язані з другорядними реакціями, що мають місце при розімкнутому зовнішньому ланцюзі. Вони мають значення для зберігання гальванічних елементів, викликаючи так званий саморозряд елементів. Внутрішні причини (за винятком, зрозуміло, короткі замикання, недбале виготовлення та інше), саморозряду згруповані в табл. 5.
Ступінь дії металевих пар (група А, а) обумовлена не стільки ЕРС ланцюга
скільки ЕРС наступного ланцюга:
яка визначається величиною додаткової напруги (перенапруги), необхідного для виділення водню на поверхні даного матеріалу. Величини цих додаткових напруг для найважливіших матеріалів при гладкій поверхні дано в табл.6.
Цим, наприклад, пояснюється нешкідливість присутності свинцю в цинку гальванічних елементів.
ІІ. Основні види гальванічних елементів. видно з табл. 7.
Це зведення доводить, що стосовно анода питання технічно задовільно було вирішено вже у першому гальванічному елементі Вольта. Цинк і до теперішнього часу, за винятком, дуже рідкісних випадків, є незамінним матеріалом як анод. Вся історія гальванічних елементів пов'язана з пошуком найбільш відповідного матеріалуяк катод взагалі, кисневого електрода зокрема і частково складу та обробки електроліту.
Може бути зроблена за різними ознаками. Конструктивний поділ на елементи з однією та елементи з двома рідинами в даний час застарів. Істотне значення, що підтверджується історією елементної справи, має хімічний склад та вихідний фізичний стан катодного матеріалу (табл. 8).
Зображення типових представників різних груп гальванічних елементів наведено в табл. I, де зазначені й основні хімічні процеси та відповідні останнім електрорушійні сили.
а) Гальванічні елементи з рідким катодним матеріалом(Деполяризатором). Гальванічні елементи групи «а» - здебільшого елементи із двома рідинами, з проникною перегородкою чи ні неї, мають гол. обр. історичний інтерес та академічне значення (класичний гальванічний ланцюг Даніеля). Знаходять більш помітне застосування телеграфної практиці елементи Мейдингера без діафрагми. Пізніші гальванічні елементи цієї групи - елементи Шустера з діафрагмою:
та Л. Дарімонта з напівпроникною перетинкою у порах перегородки.
б) Гальванічні елементи із твердим катодним матеріалом. Гальванічні елементи групи «б» мають у час найбільше практичного значення. За розрядом «А» до них відносяться, крім зазначеного у табл. I елемента з хлористим сріблом, що застосовується для медичних цілей, відомі як еталони напруги нормальні елементи - Кларка:
Zn+Hg 2SО 4 =ZnSО 4 + 2Hg , ЕРС 1,433 V при 15 °,
та Вестона:
Cd + Hg 2 SО 4 = СdSО 4 + 2 Hg , ЕРС 1,0184 V при 20 °;
за розрядом «Б» до цієї групи гальванічних елементів відносяться, крім численних форм виконання відомих елементів Лекланше з нейтральним електролітом, кілька типів елементів з лужним електролітом (Лаланда, Едісона, Ведекінда та інших), що працюють за наступною схемою:
хімічна реакція:
Одна з подібних сучасних американських конструкцій представлена на фіг. 6 (лівий малюнок - гальванічний елемент, що не був у вжитку, правий - розряджений); розрядний графік показано на фіг. 7.
Ці елементи застосовуються для залізничної та іншої сигналізації та виготовляються розмірами на 100-600 Ah ємності.
Внаслідок їх низької напруги експлуатація коштує дорого; ці елементи чутливі до коливань температури. Відомі також елементи цієї групи з кислотним електролітом, що працюють за схемою:
хімічна реакція:
Форма виконання елемента цього типу для кишенькового ліхтаря зображена на фіг. 8.
в) Гальванічні елементи із газоподібним катодним матеріалом. Гальванічні елементи групи «в» в останні роки починають набувати промислового значення (досі, головним обр., у Франції); відомі як елементи з повітряною деполяризацією, вірніше – деполяризацією киснем повітря. Одним із перших отримав ширше визнання елемент Фері. Своєю роботою з газовим електродом Феррі не тільки дав шляхи вирішення питання про значну економію витрати цинку в гальванічних елементах, але й вдало обійшов труднощі, пов'язані з переходом кисню з газу в іонний стан, попутно висвітливши досвідченим шляхом механізм деполяризації. Сутність пристрою (фіг. 9) цього елемента така: на дні судини розташована горизонтально цинкова пластинка; в безпосередній близькості знаходиться вертикальний вугільний електрод, особливим чином виготовлений, з високою пористістю і електропровідністю, що виступає над електролітом (розчином хлористого амонію).
Фізико-хімічні процеси елемента Феррі. Теоретичне рівняння
не зовсім точно. Практично процес розпадається на дві фази. У першій фазі:
утворюється ZnCl 2 , як і в звичайному елементі Лекланше, але потім, у міру роботи, відбувається розшарування електроліту на три шари: питомо важкий ZnCl 2 (слабко кисле середовище) залишається на дні і покриває цинк (фіг. 10), оберігаючи його від нерівномірного роз'їдання; утворюється на вугіллі питомо легший розчин NH 4 OH спливає наверх (слаболужне середовище), а посередині залишається переважно нейтральний розчин невитраченого NH 4 Cl в міру зближення крайніх шарів і зменшення загального вмісту NH 4 Cl в розчині настає друга фаза процесу:
причому NH 4 Cl частково регенерується, а осад оксиду цинку випадає на межі з'єднання крайніх шарів; нижня, звернена до цинку, частина вугільного електрода постійно залишається чистою і, головне, зануреною в розчин ZnCl 2 .
Протилежно спрямована ЕРС рідинної пари (фіг. 11)
приблизно рівна 0,25 V, не зменшує основний ЕРС, тому замкнута накоротко вугільним електродом.
Вугільний (газовий) електрод у нижній частині насичується адсорбованим воднем, у верхній - киснем. Ступінь деполяризації цього електрода обумовлюється роботою коротко замкнутої пари:
з ЕРС ~ 0,5-1,0 V.
Цим пояснюється стійкість роботи елемента, що залежить від гол. обр. від якості вугільного електрода
Порівняння гальванічних елементів з газовим, твердим та рідким катодним матеріалом. Порівняльний графік розрядок елемента Феррі з елементом Лекланше показано на фіг. 12.
Порівняльна витрата матеріалів елементах з різним фізичним станом катодного матеріалу показано в табл. 9 для випадку розрядки дуже слабким або сильнішим струмом з перервами.
Феррі дає наступні порівняльні вартості виробітку одного Ah:
Окрім елементів Феррі, в даний час відомі елементи з повітряною деполяризацією Le Carbone та з лужним електролітом Нея, Нюберга та Юнгнера. На фіг. 13 подано розрядний графік гальванічних елементів фірми Le Carbone, тип AD 220, на постійний опір 5 Ом.
Гальванічні елементи мокрі та сухірозрізняють за станом їх електроліту: у вигляді рідкого водного розчину, або перетвореного на желеподібну, клейку масу будь-яким загусником (крохмаль), або, нарешті, у вигляді малорухливого і невиливного, для чого рідким електролітом просочують пористу інертну масу-наповнювач, (деревні тирсу, гіпс, пісок, картон).
Гальванічні елементи типу Лекланше з сухим електролітом здавна набули найбільшого практичного застосування та промислового значення. У зв'язку з цим останнім часом проведено багато робіт для висвітлення фізико-хімічних процесів, що відбуваються в ньому. Схема гальванічного ланцюга цього елемента:
Встановлено розкислення MnО 2 до Mn 2 Про 3 . На відміну від елемента Феррі (вертикальне розташування електродів та присутність в електроліті ZnCl 2), розшарування малорухливого електроліту тут настає меншою мірою. Розрізняють три стадії хімічних реакцій:
Крім того, взаємодія NH 4 OH та ZnCl 2 за деяких умов супроводжується утворенням також і хлорокису цинку за наступним рівнянням:
Фактична витрата МnO 2 іноді менша, ніж потрібно рівняннями 1, 2 або 3, що пояснюється участю в реакціях кисню повітря, оскільки забезпечений доступ останнього, або може бути іншими, ще мало освітленими явищами адсорбції на катоді. Поляризація електродів обумовлена головним чином підвищенням концентрації іонів ОН-і меншою мірою Zn++ (табл. 10).
Має місце також механічна поляризація (див. табл. 4) опадами ZnCl 2 ∙2NH 3 ; Zn(OH) 2 і Zn(ОН)Сl. Особливо шкідливі два останні, що закривають доступ електроліту всередину пористого катода (агломерату). Саморозряд сухих елементів порівняно з мокрими, за винятком елементу Феррі, значно менший, але значною мірою залежить від способу та якості виготовлення.
Класифікація сухих гальванічних елементів. У разі необхідності мати запас на кілька років, а також в інших специфічних умовах роботи (наприклад, у тропічних країнах), вважають за краще застосовувати незаряджені або не повністю заряджені гальванічні елементи тривалого зберігання, які перед вживанням мають бути приведені до чинного стану. Але при цьому треба мати на увазі, що термін служби таких елементів є меншим, ніж звичайних сухих гальванічних елементів.
З огляду на велику різноманітність у виконанні сухих гальванічних елементів нижче наведено їх класифікацію (табл. 11) за конструктивними ознаками з коротким зазначенням того, як і як виконуються умови тривалого зберігання; крім того, у табл. II показані зразкові форми виконання деяких із них.
ІІІ. Застосування гальванічних елементів. Вартість електричної енергії від гальванічних елементів. Теоретична витрата матеріалів, які можуть бути застосовані як електродні, і співвідношення цін (до війни 1914-18 рр.) цих матеріалів на 1 Wh (табл. 12) показують, що вибір останніх обмежується або високою вартістю (особливо Cd, Ag, Ni , Pb), або технічними труднощами, наприклад, Аl, Н 2).
Крім того, якщо врахувати, що вартість 1 корисного Wh від практично найбільш економічно працюючого елемента Феррі обходиться близько 80 коп., вважаючи лише витрата матеріалів, то стане зрозумілим, що і з економічних і з технічних причин Гальванічні елементи знаходять застосування лише у випадках споживання приймачем малої витрати енергії взагалі і з малою розрядною потужністю зокрема. Крім того, у багатьох випадках застосування гальванічних елементів диктується не так їх економічності, як їх незамінністю і рядом практичних зручностей. Останнім пояснюється переважне поширення елементів типу Лекланше, особливо сухих.
Електротехнічно застосування гальванічних елементів можна об'єднати у режимах, зазначених у табл. 13.
Якщо порівняти технічні дані елементів різних видів, наприклад, елементів типу Феррі з сухими типу Лекланше, то виявляється, що те саме питоме використання порядку 50 Wh/л може бути отримано при питомому навантаженні для елементів типу Лекланше 0,1-0,25 А/л, для елементів типу Феррі лише за 0,02-0,05 А/л. Цим пояснюється порівняно малий успіх гальванічних елементів типу Феррі, незважаючи на їхню перевагу щодо економічності. При повнішій порівняльній оцінці необхідно взяти до уваги також і допустимий діапазон розрядної напруги та ряд інших умов. Найбільш вдалою системою, легше інших пристосовуваної до різних режимів роботи приймачів, що зустрічаються на практиці, до теперішнього часу слід вважати систему Лекланше, чим і пояснюється її широке розповсюдження.
Промислове виготовлення гальванічних елементів. Найбільше промислове значення мають гальванічні елементи групи «1, б» (табл. 13), тобто сухі із желеподібним електролітом. Масштаб виробництва цих гальванічних елементів видно із табл. 14.
Нині у багатьох країнах проведено нормалізацію продукції гальванічних елементів. У Німеччині стандартизовано 8 типів сухих елементів, 2 типи мокрих та 1 тип кишенькових батарейок. В Америці - 2 типи сухих елементів, 5 типів кишенькових батарей та 2 типи анодних радіобатарей. Проект загальносоюзного стандарту на гальванічні елементи цинк-вугілля-перекис марганцю з нерухомим електролітом (табл. 15) передбачає 7 типів сухих та водоналивних гальванічних елементів.
До виробництва радіобатарів (анодні та розжарення), особливо перших, пред'являються найвищі вимоги, наприклад, щодо однорідності елементів. В даний час конструкцію їх ще не можна вважати остаточно встановленою не тільки у нас, а й за кордоном, хоча останнім часом, особливо в Америці, техніка їх виготовлення досягла досконалості.
На фіг. 14 показані графіки періодичної розрядки анодної батареї, а на фіг. 15 надано вигляд одного з елементів радіобатареї.
Основні матеріали для виробництва сухих елементів. Перекис або двоокис марганцю, через її малу провідність, найчастіше застосовується в тісній суміші з графітовим порошком, у вигляді так званих агломератів - пористих (до 40%) тіл, що оточують вугільний струмовідвідний стрижень (див. табл. II). Баланс вартості матеріалів в основному складається (у відсотках) з:
Промислові вимоги максимального використання діючих матеріалів у гальванічних елементах слід розглядати із двох сторін: а) з боку стійкості цих матеріалів до мимовільного витрачання та б) з боку їхньої активності під час роботи. Перша вимога відноситься переважно до анода, друга - до катода. Щодо цинку встановлено, що не меншу (якщо не більшу) роль, ніж хімічний склад, відіграють стан його поверхні та кристалічна структура, тобто властивості, що залежать від обробки цього прокатного матеріалу. Як двоокису марганцю застосовують: а) марганцеву руду (піролюзит), б) штучний (хімічно отриманий) перекис марганцю, в) суміш тієї і іншої, наприклад, 2 вагових частин першої і 1 вагова частина другої. Перша відрізняється більшою стійкістю та електропровідністю, друга – більшою активністю. Мінералогічне походження та ступінь полімеризації піролюзиту також мають велике значення. У СРСР застосовується майже виключно чиатурський піролюзит. Використання МnO 2 в агломераті знаходиться в дуже складній залежності від: а) природи застосовуваного графіту; б) ступеня подрібнення обох інгредієнтів (величина зерна близько 0,05 мм); в) їх електропровідності; і, нарешті, д) адсорбуючої здатності МnO 2 та графіту. У середньому при безперервному розрядженні до 0,7 V використання піролюзиту в сухих елементах становить не більше 20-30% (розкислення до Мn 2 O 3), а штучного перекису марганцю (МnO 2) становить 60-70%. Відношення (МnO 2 /графіт) сучасних елементаходно 2-4.
Електроліт сухих гальванічних елементів. Якість сухих гальванічних елементів, особливо здатність до зберігання, сильно залежить не тільки від хімічного складу електроліту, але і від фізичних властивостей, способу наповнення та ін. Залежність роз'їдання гладкого металевого цинку в розчинах нашатирю різної концентрації зображена на фіг. 16, з якої видно, що мінімальна корозія має місце з 20% чистим розчином NH 4 Cl (вплив окремих домішок розглядається Друкером).
Концентрацію NH 4 Cl в електроліті сухих елементів, згідно з теорією, бажано мати максимальну. Однією з корисних добавок щодо зменшення розчинення цинку є хлористий цинк (див. рівняння Нернста), як видно з фіг. 17 для розчину, що містить 25 г NH 4 Cl на 100 см 3 розчину ZnCl 2 різної концентрації.
З цього графіка також видно, що вплив амальгамування цинку істотно позначається на корозії лише у відсутності ZnCl 2 , а також, що збільшення вмісту ZnCl 2 понад 25% (питома вага 1,24) позначається на корозії значно менше, до того ж, як випливає з теорії , невигідно щодо швидкої освіти Zn(OH) 2 . Цікаво відзначити, що оптимальна, мабуть, концентрація ZnCl 2 відповідає комплексу ZnCl 2 ∙2NH 4 Cl. З інших властивостей електроліту суттєвим виявляється його в'язкість. За Друкером, 5%-ний клейстер розчину NH 4 Cl має меншу дію на цинк, ніж 10%-ний. Відомі два методи желатинізації електроліту: 1) рідким електролітом наповнюють елемент і потім нагрівають до утворення клейстеру ( простий метод) 2) желатинізацію проводять при звичайній температурі дією хлористого цинку. Як загусник зазвичай застосовують суміш двох вагових частин крохмалю на одну вагову частину борошна. Встановлено, що найбільш придатною для сухих елементів є в'язка жовта маса, яка виходить у разі складу з найменшим часом желатинізації. Вплив концентрації ZnCl 2 швидкість желатинізації розчинів видно на фіг. 18.
Отримані співвідношення дозволяють застосовувати два склади, що не густіють окремо (табл. 16), які при зливанні разом при кімнатній температурі дають масу необхідних властивостей, і притому в заздалегідь розрахований час.
Цією цінною якістю ZnCl 2 , поряд з зазначеними вище, а також через його гігроскопічні і консервуючі властивості, пояснюються як незрозуміле на перший погляд введення в свіжий гальванічний елемент матеріалу, що утворюється як продукт роботи елемента, так і ті переваги щодо ємності і терміну зберігання , які мають виготовлені сухими на заводі елементи перед наливними та іншими їх формами без застосування ZnCl 2 . Утворенню подвійних сполук NH 3 останнім часом перешкоджають застосуванням електроліту без NH 4 Cl, а саме з хлористого магнію з добавкою хлористого марганцю. Спосіб напоювання агломерату електролітом та наповнення елемента слід розглядати щодо його збереження як запобігання Zn від дії на нього кисню повітря. Необхідний для правильного функціонування і нешкідливий для розташованого на дні цинку в елементах типу Феррі кисень повітря в сухих гальванічних елементах, навпаки, має сильну руйнівну дію на цинк, особливо в поєднанні з концентраційною парою (фіг. 19), що діє уздовж електрода при вертикальному його розташування.
Технологічні прийоми виробництва гальванічних елементів. Заводське виробництво гальванічних елементів ділиться такі основні операції: а) виготовлення цинкових полюсів, б) приготування катодів (агломератів), в) приготування електроліту і г) складання зазначених складових частин. Перша операція складається із звичайних механічних прийомів: різання листового цинку, гнуття за шаблоном та паяння; застосовується також штампування та електрозварювання цинкових полюсів. Приготування агломератів із просіяних до певного зерна та змішаних у певній пропорції графіту та піролюзиту полягає у пресуванні брикетів. потрібних розмірів. Відомі два методи пресування: 1) пресування безпосередньо на вугілля і 2) пресування на стрижень-шаблон, що виймається потім, з подальшим вставленням вугілля в канал, що утворився. Перевага першого методу полягає у зменшенні перехідного опору агломерат-вугілля; другого - у можливості застосування великих тисків під час пресування. Останнім часом поширюється автоматичне пресування. Відпресований агломерат, одягнений на вугілля, поміщається в матер'яний або паперовий чохол, який зазвичай затягується по спіралі тонким шнурком, для надання більшої механічної міцності і для запобігання масі від фарбування. Цей прийом називається обв'язування агломерату і зазвичай проводиться ручним способом. В Америці практикується більш досконалий прийом - картонної обшивки агломерату без клопіткої обв'язки, причому картонна оболонка, заповнюючи весь простір між агломератом і цинком, одночасно служить і як сепаратор, а також відіграє роль наповнювача для електроліту. Один з можливих прийомів такої механізації обв'язки для малих зразків зображено на фіг. 20 згідно з якою агломерати з одягненими на них чохлами з легким тертям продавлюються через отвір холодної або підігрітої матриці, причому відповідно влаштований пуансон запечатує денця.
Для надягання затискачів – латунних ковпачків – також застосовуються напівавтомати. Пристрій одного з них дано на фіг. 21.
Технічні дані: вага 96 кг, споживана потужність 1/2 л. с., продуктивність 1500 шт. в ч. Подібно до цього при масовому виготовленні б. або м. механізовані та інші прийоми збирання гальванічних елементів.
Випробування гальванічних елементів. Випробування електричних властивостей проводиться за двома методами: 1) постійної сили струму I = Const та 2) на постійний опір R = Const. Через простоту найпоширеніший другий метод. Випробування діляться такі види: 1) Випробування зовнішньої характеристики чи внутрішнього опору; для отримання лінійної залежності V = f(I) відлік V необхідно брати при встановленому його значенні. 2) Випробування ємності безперервною розрядкою V = f(t) при I = Const або R = Const. 3) Випробування здатності до зберігання; надійного методу досі не вироблено; побічно і далеко не точно судять щодо зміни ЕРС або збільшення внутрішніх втрат за певний проміжок часу зберігання гальванічних елементів. 4) Випробування максимальної віддачі за умов б. або м. близьких до умов дійсної роботи гальванічних елементів (періодичний розряд за американськими нормами). У СРСР застосовувалися гол. обр. перші два види випробувань; в даний час є спроби застосування та третього виду; найпоширеніша розрядка гальванічних елементів на 10 Ом опору.
Встановлено, що вид функції V = f(t) при R = Const для гальванічних елементів з МnO 2 дуже близько виражається рівнянням:
де V H є початкова напруга, b - постійна елемента, t - час. Це співвідношення дає можливість аналітично визначати середню напругу V порівн. до будь-якої кінцевої напруги V K . з рівняння
а, отже, і відповідну ємність гальванічного елемента
де t 0 - Розрядний період у годинах. Перше з рівнянь застосовується не більше V K . = 0,7V та нижче при розрядних режимах до 500 годин.
При більш довгих режимах (зазвичай не застосовуються на практиці) можливе відхилення (не у всіх гальванічних елементів) кривою від своєї первісної параболічної форми (на фіг. 22 і 23 - криві, зняті для гальванічних елементів одних і тих її розмірів і в однакових умовах ).
У цих випадках застосування рівняння
обмежена вищою кінцевою напругою. Характер зміни ємності гальванічних елементів російської продукції при різних режимах R = Const показаний для кількох розмірів елементів на діаграмі час розрядки-ємність (фіг. 24).
З діаграми видно, що точки, що відповідають тим самим режимам для різних розмірівгальванічних елементів, лежать на прямих, проведених з початку координат (промені опорів), як випливає з рівняння
оскільки при дуже незначних коливаннях V H. , V cp. = Const, отже, і величина I порівн. , Яка визначає нахил променя опору до координатним осям, також = Const, тобто - середня розрядна сила струму практично може бути прийнята незалежною від розмірів і форми гальванічних елементів і визначається лише провідністю зовнішнього ланцюга (розрядним опором). Отримані прості співвідношення дозволяють легко з графіка часу розрядки визначати ємність до того кінцевого напруги, для якого побудована діаграма. Що стосується зміни ємності гальванічних елементів з розрядним режимом, то ряд формул, що з'явилися останнім часом, дає можливість з достатньою для практики точністю проводити необхідні обчислення. При користуванні цими формулами не треба забувати, що вони є емпіричними і тому, строго кажучи, застосовні тільки до тієї продукції і в тих умовах, в яких ці формули виводилися. Для розрядок при I = Const до сухих елементів застосовна формула Пейкерта (див. Акумулятори електричні):
де t 0 - Розрядний період у годинах; для продукції значення показника n до V K. = 0,7 V було знайдено рівним 1,3. Для американської продукції також було встановлено справедливість формули Пейкерта, причому до V K. = 0,75 V одного з типів сухих елементів значення n = 2; постійна k залежить від розмірів елемента. Для розрядок при R = Const формула набуває вигляду:
де n дорівнює 1,5 до V K . = 0,75 V для американської продукції та 1,3 до V K. = 0,70 V для російської продукції. Взагалі щодо постійних n і k слід пам'ятати, що обидві вони залежить від V K . і, крім того, k визначається кількістю маси, що деполяризується, і ступенем її використання, а n визначається формою елемента і головним чином товщиною активного шару деполяризатора.
Залежність розрядної напруги сухих елементів від температури та розрядного опору видно на фіг. 25, яка показує, що -22 є критичної температурою для розрядок б. або м. значним струмом.
Апаратура для випробування гальванічних елементів складається з: 1) розрядної дошки з набором опорів та вольтметровим перемикачем (фіг. 26);
2) установки для переривчастого випробування за американськими нормами, в якій керовані від годинникового механізму А реле Замикають і розмикають випробувані ланцюги Е (фіг. 27);
3) установки для випробування періодичним розрядом батарей запала по 2 години на добу (фіг. 28).
Гальванічний елемент– прилад, який перетворює хімічну енергію на електричну. Одним із таких елементів є елемент Даніеля – Якобі. Цей елемент складається з двох електродів: цинкового та мідного, – занурених у відповідні сульфатні розчини, між якими пориста перегородка:
При замиканні зовнішнього ланцюга електрони переходять від Zn до Cu, відбувається дифузія цинку в мідь:
Утворюємо електрохімічну схему:
Анод – негативний електрод (ліворуч). Катод – позитивний електрод.
Для визначення ЕРС цього елемента слід порівняти стандартні електродні потенціали обох електродів. При записі електродних реакцій прийнято, що окислена форма перебуває у лівій частині, а відновлена – у правій частині рівняння.
де E 0 - електрорушійна сила (ЕРС) гальванічного елемента, коли всі реагенти в стандартному стані.
ЕРС елемента обчислюється відніманням з потенціалу катода потенціалу анода.
ЕРС елемента дорівнює +0,34 - (-0,76) = 1,1 В; чим більше електродні потенціали відрізняються один від одного, тим більше ЕРС. Якщо занурити метал у розчин солі більшої концентрації, потенціал нестандартний. Значить, на величину електродного потенціалу впливає концентрація та температура. Така залежність виражається рівнянням В. Нернста.
де п –число іонів;
R – універсальна постійна газова;
Т -температура;
С –концентрація активних іонів у розчині;
F –число Фарадея = 96 500 В.
ХІТи– пристрої, які застосовують для безпосереднього перетворення енергії хімічної реакції на електричну. ХІТ застосовуються в різних галузях техніки. У засобах зв'язку: радіо, телефон, телеграф; в електровимірювальній апаратурі; вони є джерелами електроживлення для автомобілів, літаків, тракторів; застосовуються для приведення в дію стартерів та ін.
Недоліки ХІТ:
1) вартість речовин, необхідні роботи: Pb, Cd, – висока;
2) відношення кількості енергії, яку може віддати елемент, на його масу, мало.
Переваги ХІТ:
1) ХІТи поділяються на дві основні групи: оборотні (акумулятори), незворотні (гальванічні елементи). Акумулятори можна використовувати багаторазово, оскільки їхня працездатність може бути відновлена при пропусканні струму у зворотному напрямку від зовнішнього джерела, а в гальванічних елементах допускають лише одноразове використання, оскільки один з електродів (Zn в елементі Даніеля - Якобі) незворотно витрачається;
2) застосовуються електроліти, поглинені пористими матеріалами, вони мають більший внутрішній опір;
3) створення паливних елементів, під час роботи яких витрачалися б дешеві речовини з малою щільністю ( природний газ, водень);
4) зручність у роботі, надійність, висока та стабільна напруга.
Розглянемо процес технології на основі свинцево-кислотного акумулятора із намазними електродами.
Загальна схема: (–) активна речовина | електроліт | активна речовина (+).
Активною речовиною негативного електрода є відновник, що віддає електрони При розряді негативний електрод є анодом, т. е. електродом, у якому протікають окислювальні процеси. Активна речовина позитивного електрода – окислювач. Активні речовини – окислювач та відновник – беруть участь у електрохімічній реакції.
Електрохімічна схема свинцево-кислотного акумулятора
Активними речовинами свинцевого акумулятора є губчастий свинець і PbO 2 . Створення активних мас в електродах полягає в наступному: електропровідний каркас конструкції наносять пасту або суміш оксидів Pb; при подальшому формуванні пластин оксиди Pb перетворюються на активні речовини. Формування- Переведення незарядженої маси в заряджену. Такі пластини поділяються залежно від типу каркаса на намазні і решітчасті. Більшість акумуляторів збирають із намазних пластин. При їх виготовленні пасту з оксидів свинцю вмазують у комірки профільованих ґрат товщиною 1 – 7 мм, відлитих з Pb – Sb сплаву. Після затвердіння паста утримується на решітці, гарантія такого акумулятора – 2 – 3 роки. При виборі матеріалів струмовідводів позитивних електродів акумуляторів важливо забезпечити їхню практичну пасивність (при збереженні електричної провідності) в умовах заряду (до високих потенціалів при анодній поляризації). Для цього в розчинах H 2 SO 4 застосовують Pb або його сплави. Корпус і кришка ХІТ можуть бути виготовлені зі сталі або різних діелектриків, але в свинцево-кислотних акумуляторах корпус виконують з ебоніту, поліпропілену, скла. Електроліт у свинцево-кислотному акумуляторі може брати участь у сумарній струмоутворюючій реакції. Для струмопровідних відводів негативного електрода застосовують Cu, Ti, Al.
3. Регенерація та утилізація ХІТів
Термін служби гальванічних елементів закінчується (розряд ХІТ) після повного або часткового використання активних матеріалів, працездатність яких після розряду може бути відновлена шляхом заряду, тобто пропусканням струму в напрямку, зворотному напрямку при розряді: такі гальванічні елементи називаються акумуляторами. Негативний електрод, який при розряді акумулятора був анодом, при заряді стає катодом. умовами кращого використанняАктивними матеріалами є низькі щільності струму, високі температури до норми. Зазвичай причиною порушення роботи ХІТів є пасивація електродів- різке зменшення швидкості електрохімічного процесу при розряді, викликане зміною стану поверхні електродів при розряді через утворення оксидних шарів або сольових плівок. Спосіб боротьби з пасивацією – зменшення істинних щільностейструму розряду шляхом застосування електродів із розвиненими поверхнями. Виробництво ХІТ відрізняється застосуванням різноманітних токсичних речовин (сильних окислювачів, сполук Pb, Hg, Zn, Cd, Ni, які застосовують у дрібнодисперсному стані; кислот, лугів, органічних розчинників). Для забезпечення нормальних умов праці передбачено автоматизацію виробничих процесів, раціональні системи вентиляції, що включають застосування місцевих відсмоктувачів від апаратів з токсичними виділеннями, герметизація обладнання, заміна сухих способів переробки пилу матеріалів мокрими, очищення забрудненого повітря та газів від аерозолів, очищення промислових стічних вод. Масове використання ХІТ у народному господарстві пов'язане із проблемами екології. Якщо свинець з акумуляторів переважно може бути повернений споживачами на заводи з його переробки, то утилізація невеликих побутових первинних ХІТ економічно недоцільна.
Кожна батарея Hg-Zn забезпечує роботу слухового апарату протягом 5-7 днів.
Проводиться розробка електромобілів із використанням ХІТ замість двигунів внутрішнього згоряння, які отруюють атмосферу міст вихлопними газами. За ступенем негативного впливу на навколишнє середовищегальванічне виробництво стоїть на першому місці. Причина вкрай негативного впливугальванічного виробництва у тому, що у переважній більшості підприємств у технологічних процесах нанесення покриттів корисно витрачається лише 10 – 30% солей важких металів, решта ж частина при незадовільній роботі потрапляє у середу. Вихід – максимально скоротити втрати солей кольорових металів, тобто зменшити винесення деталей електролітів із гальванічних ванн. Це призведе до зменшення концентрацій та обсягів стічних вод та створить тим самим необхідні умовидля ведення маловідходної (МОП) та безвідходної (БОП) технологій нанесення гальванічних покриттів. Потрібно спочатку правильно підібрати електроліт. Основний принцип МОП та БОП – зменшувати витрату хімікатів на вході та менше постачати отрут на виході процесу.
У найсучасніших умовах найпоширенішими хімічними джерелами струму є гальванічні елементи. Незважаючи на їх окремі недоліки, вони набули широкого поширення в електроніці, проводиться постійна робота щодо їх удосконалення. Принцип роботи гальванічного елемента є досить простим. У водний розчин сірчаної кислоти занурюються мідна та цинкова пластини, які потім відіграють роль позитивного і негативного полюса.
Принцип дії гальванічного елемента
При з'єднанні полюсів за допомогою провідника відбувається поява найпростішої електричного ланцюга. Перебіг струму всередині елемента відбуватиметься від негативного заряду до позитивного, тобто від цинкової пластини до мідної. Рух заряджених частинок із зовнішнього ланцюга здійснюватиметься у зворотному напрямку.
При дії електричного струму рух залишків сірчаної кислоти, а також іонів водню відбуватиметься у різних напрямках. При цьому водень передає заряд на мідну пластину, а залишок кислоти на цинкову пластину. Таким чином, на клемах здійснюватиметься підтримка напруги. Одночасно, на мідній пластині осідають бульбашки водню, що послаблює загальну дію елемента та створює додаткову напругу. Така напруга відома як електрорушійна сила поляризації. Щоб уникнути цього явища, до складу вводиться речовина, здатна поглинати атоми водню та виконувати функцію деполяризації.
Гальванічні елементи: переваги та недоліки
Для виготовлення сучасних гальванічних елементів використовуються різні матеріали. Найбільш поширеними є матеріали на основі вугільно-цинкових елементів, що використовуються для пальчикових.
Їхньою основною позитивною якістю вважається відносно низька вартість. Однак, такі елементи мають невисоку потужність і невеликий термін зберігання. Найбільш оптимальним варіантомслужить використання лужних елементів. Тут як електроліт виступає не вугілля, а розчин лугу. При розрядці немає виділення газу, що дозволяє забезпечити повну герметичність. Лужні елементи відрізняються вищим терміном зберігання.
Загальний принцип роботи гальванічного елемента всім їх видів абсолютно однаковий. Наприклад, елементи на основі оксиду ртуті конструктивно нагадують лужні. Вони відрізняються підвищеною стійкістю до високій температурі, високою механічною міцністю та стабільним значенням напруги. Недоліком є токсичність ртуті, яка потребує обережного поводження з відпрацьованими елементами.
"Арзамаський Державний Педагогічний Інститут ім А. П. Гайдара"
Курсова робота
з хімії
Тема: Гальванічні елементи
Виконав: студент 5 курсу
ЄГФ 52 гр. Б2 підгр. Ширшін Н.В.
Прийняв: Кіндеров А.П.
План
Вступ
I. Історія створення хімічних джерел струму
ІІ. Принцип дії
ІІІ. Класифікація, будова та принцип дії хімічних джерел струму
1. Гальванічний елемент
2. Електричні акумулятори
А) Лужні акумулятори
3. Паливний елемент
А) Принцип дії
Б) Принцип поділу потоків палива та пального
В) Приклад воднево-кисневого паливного елемента
Г) Історія досліджень у Росії
Д) Застосування паливних елементів
Е) Проблеми паливних елементів
IV. Експлуатація елементів та батарей
V. Регенерація гальванічних елементів та батарей
VI. Особливості деяких видів гальванічних елементів та їх короткі характеристики
Висновок
Список використаної литературы
Вступ
Хімічні джерела струму протягом багатьох років міцно увійшли до нашого життя. У побуті споживач рідко звертає увагу на відмінності використовуваних хімічних джерел струму. Для нього це батарейки та акумулятори. Зазвичай вони використовуються в таких пристроях, як кишенькові ліхтарі, іграшки, радіоприймачі або автомобілі. У тому випадку, коли споживана потужність відносно велика (10Ач), використовуються акумулятори, переважно кислотні, а також нікель – залізні та нікель – кадмієві. Вони застосовуються в портативних електронних обчислювальних машинах (Laptop, Notebook, Palmtop), засобах зв'язку, що носяться, аварійному освітленні та ін.
В силу низки причин хімічні генератори електричної енергії є найперспективнішими. Їхні переваги виявляються через такі параметри, як високий коефіцієнт виходу енергії; безшумність та нешкідливість; можливість використання в будь-яких умовах, у тому числі в космосі та під водою, у стаціонарних та переносних пристроях, на транспорті тощо.
В останні роки такі акумулятори широко застосовуються в резервних джерелах живлення ЕОМ та електромеханічних системах, що накопичують енергію для можливих пікових навантажень та аварійного живлення електроенергією життєво важливих систем.
Цілі і завдання. У цій роботі мені необхідно розібрати принцип дії гальванічних елементів, познайомитися з історією їх створення, особливостями класифікації та пристроєм різних видів гальванічних елементів, а також застосуванням тих чи інших видів хімічних джерел струму в повсякденному житті та різних сферах виробництва.
I . Історія створення хімічних джерел струму
Хімічні джерела струму(аббр. ХІТ) - пристрої, в яких енергія хімічних реакцій, що протікають в них, безпосередньо перетворюється на електричну енергію.
Історія створення
Вольтов стовп
Перше хімічне джерело струму було винайдено італійським ученим Алессандро Вольта у 1800 році. Це був елемент Вольта - посудина з солоною водою з опущеними в нього цинковою та мідною пластинками, з'єднаними дротом. Потім учений зібрав батарею з цих елементів, яку згодом було названо Вольтовим стовпом. Цей винахід згодом використовували інші вчені у своїх дослідженнях. Так, наприклад, в 1802 російський академік В. В. Петров сконструював Вольтов стовп з 2100 елементів для отримання електричної дуги. У 1836 році англійський хімік Джон Деніель удосконалив елемент Вольта, помістивши цинковий та мідний електроди у розчин сірчаної кислоти. Ця конструкція стала називатися "елементом Даніеля". У 1859 році французький фізик Гастон Планте винайшов свинцево-кислотний акумулятор. Цей тип елемента і досі використовується в автомобільних акумуляторах. У 1865 році французький хімік Ж. Лекланше запропонував свій гальванічний елемент (елемент Лекланше), що складався з цинкового стаканчика, заповненого водним розчином хлористого амонію або іншої хлористої солі, в який був поміщений агломерат з оксиду марганцю (IV) MnO2. Модифікація цієї конструкції використовується досі в сольових батарейках для різних побутових пристроїв. 1890 року в Нью-Йорку Конрад Губерт, іммігрант із Росії, створює перший кишеньковий електричний ліхтарик. А вже 1896 року компанія National Carbon приступає до масового виробництва перших у світі сухих елементів Лекланше «Columbia».
II . Принцип дії
Пристрій " багдадських батарейок»(200 р. до н. е.).
Основу хімічних джерел струму становлять два електроди (катод, що містить окислювач і анод, що містить відновник), що контактують з електролітом. Між електродами встановлюється різниця потенціалів - електрорушійна сила, що відповідає вільній енергії окислювально-відновної реакції. Дія хімічних джерел струму заснована на протіканні при замкнутому зовнішньому ланцюгу просторово розділених процесів: на катоді відновник окислюється, вільні електрони, що утворюються, переходять, створюючи розрядний струм, по зовнішньому ланцюгу до анода, де вони беруть участь у реакції відновлення окислювача.
У сучасних хімічних джерелах струму використовуються:
як відновник (на аноді) - свинець Pb, кадмій Cd, цинк Zn та інші метали;
як окислювач (на катоді) - оксид свинцю(IV) PbO2, гідроксид нікелю NiOOH, оксид марганцю(IV) MnO2 та інші;
як електроліт - розчини лугів, кислот або солей.
III . Класифікація, будова та принцип дії
По можливості або неможливості повторного використання хімічні джерела струму поділяються на:
1. Гальванічний елемент
Гальванічний елемент - хімічне джерело електричного струму, назване на честь Луїджі Гальвані. Принцип дії гальванічного елемента заснований на взаємодії двох металів через електроліт, що призводить до виникнення замкнутого ланцюга електричного струму. ЕРС гальванічного елемента залежить від матеріалу електродів та складу електроліту. Це первинні ХІТ, які через незворотність реакцій, що протікають в них, неможливо перезарядити.
Гальванічні елементи є джерелом електричної енергії одноразової дії. Реагенти (окислювач та відновник) входять безпосередньо до складу гальванічного елемента та витрачаються в процесі його роботи. Гальванічний елемент характеризується ЕРС, напругою, потужністю, ємністю та енергією, що віддається у зовнішній ланцюг, а також збереженістю та екологічною безпекою.
ЕРС визначається природою процесів, що протікають в гальванічному елементі. Напруга гальванічного елемента U завжди менше його ЕРС через поляризацію електродів і втрат опору:
U = Eе – I(r1–r2) – ΔE,
де Ее - ЕРС елемента; I – сила струму у режимі роботи елемента; r1 та r2 – опір провідників I та II роду всередині гальванічного елемента; ΔЕ – поляризація гальванічного елемента, що складається з поляризацій його електродів (анода та катода). Поляризація зростає зі збільшенням щільності струму (i), яка визначається за формулою i = I/S, де S – площа поперечного перерізуелектрода, і зростання опору системи.
У процесі роботи гальванічного елемента його ЕРС і, відповідно, напруга поступово знижуються у зв'язку із зменшенням концентрації реагентів та збільшенням концентрації продуктів окисно-відновних процесів на електродах (згадаймо рівняння Нернста). Проте що повільніше знижується напруга при розряді гальванічного елемента, то більше можливостей його застосування практично. Місткістю елемента називають загальну кількість електрики Q, яку гальванічний елемент здатний віддати у процесі роботи (при розрядці). Місткість визначається масою запасених у гальванічному елементі реагентів та ступенем їх перетворення. При збільшенні струму розряду та зниженні температури роботи елемента, особливо нижче 00С, ступінь перетворення реагентів та ємність елемента знижуються.
Енергія гальванічного елемента дорівнює добутку його ємності на напругу: ΔН = Q.U. Найбільшу енергію мають елементи з великим значенням ЕРС, малою масою і високим ступенем перетворення реагентів.
Зберігається називають тривалість терміну зберігання елемента, протягом якого його характеристики залишаються в заданих параметрах. Зі зростанням температури зберігання та експлуатації елемента, його збереження зменшується.
Склад гальванічного елемента: відновниками (анодами) в портативних гальванічних елементах, як правило, є цинк Zn, літій Li, магній Mg; окислювачами (катодами) – оксиди марганцю MnO2, міді CuO, срібла Ag2O, сірки SO2, а також солі CuCl2, PbCl2, FeS та кисень О2.
Наймасовішим у світізалишається виробництво марганець-цинкових елементів Mn-Zn, що широко застосовуються для живлення радіоапаратури, апаратів зв'язку, магнітофонів, кишенькових ліхтариків і т.п. Конструкція такого гальванічного елемента представлена малюнку
Струмоутворюючими реакціями в цьому елементі є :
на аноді(–): Zn – 2ē → Zn2+ (на практиці відбувається поступове розчинення цинкової оболонки корпусу елемента);
на катоді(+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2? → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.
В електролітичному просторі також тривають процеси:
У анода Zn2+ + 2NH3 →2+;
У катода Mn2O3 + H2O → або 2.
У молекулярному вигляді хімічну сторону роботи гальванічного елемента можна уявити сумарною реакцією:
Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.
Схема гальванічного елемента:
(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (С) (+).
ЕРС такої системи становить Е = 1,25 ÷ 1,50В.
