Химические источники тока

Химические источники тока — устройства, в которых электрическая энергия вырабатывается за счет протекания химических реакций.

Различают несколько типов химических источников тока.

Первый тип основан на химических процессах, протекающих в гальванических элементах. Он представляет собой «батарейки», которые используются один раз. Например, элемент Якоби, состоящий из медного и цинкового электродов, находящихся в растворах собственных сульфатов, разделенных пористой перегородкой.

Второй тип химических источников тока используется многократно за счет того, что электрическая энергия получается в процессе разрядки; активные вещества катода и анода можно восстановить в процессе зарядки, протекающем под воздействием внешнего электрического тока. Такие источники тока являются аккумуляторами.

Различают кислотные и щелочные аккумуляторы. К кислотным аккумуляторам относят свинцовый, а к щелочным — железо-никелевый.

Рассмотрим электрохимические процессы в свинцовом аккумуляторе, имеющем «формулу»

Серная кислота с w = 25—30% называется аккумуляторной. При разрядке (процесс идет самопроизвольно) протекает реакция, являющаяся источником тока (так как анодный и катодный процессы пространственно разделены):

По мере расходования активных веществ на аноде (РЬ) и катоде (РЬ0₂) ЭДС аккумулятора уменьшается и возникает необходимость в зарядке, которая протекает под воздействием внешнего источника тока. При этом на аноде ионы РЬ²⁺ окисляются до диоксида свинца:

Схематически процессы, протекающие в свинцовом (кислотном) аккумуляторе, можно выразить схемой:

Процессы, протекающие в щелочном аккумуляторе (на примере железо-никелевого аккумулятора), можно охарактеризовать схемой:

Формула железо-никелевого аккумулятора:

(-) Fe || КОН || NiOOH (+) [железо — анод, гидроксид никеля (Ш) — катод].

В последнее время широкое распространение получили электрохимические генераторы электрической энергии, принцип действия которых основан на том, что на аноде окисляется топливо (метан, природный газ и др.), а на катоде восстанавливается кислород (чистый или кислород воздуха). Их называют топливными элементами. Они не являются аккумуляторами.

Обобщенно химические процессы в топливном элементе можно охарактеризовать так:

Диоксид углерода поглощается щелочью с образованием ионов СО^~ или HCOj. В приэлектродные пространства постоянно подают активные вещества анода (топливо, в данном случае метан) и катода (кислород или воздух), а отработанные растворы удаляются. Все это обеспечивает длительную работу топливных элементов. Топливные элементы являются альтернативным источником энергии, так как они работают на возобновляемом источнике химических соединений (этанол, метанол, «биогаз», которые получают на различных предприятиях).

Задания для самостоятельной работы

• 1. Назовите тип химических реакций, протекающих в химических источниках тока, и условие, при котором возможно получение электрической энергии в них.
• 2. Поясните, почему химические процессы, протекающие в кислотном аккумуляторе, относят к ОВР; напишите суммарные уравнения реакций, протекающих при зарядке и разрядке этого аккумулятора.
• 3. Охарактеризуйте химические процессы, протекающие в элементе Якоби, и рассчитайте начальную ЭДС для стандартных условий, т. е. /?= 101,3 кПа и Г = 298 К.
• 4. Поясните отличие аккумулятора от гальванического элемента.
• 5. Приведите два обоснованных примера, иллюстрирующих применение химических источников тока в строительстве.
• 6. Поясните, почему топливные элементы считают альтернативными источниками энергии и экологически более предпочтительными по сравнению с ТЭС, работающей на мазуте.