Реферати українською » Химия » Хімічні джерела Струму


Реферат Хімічні джерела Струму

Страница 1 из 2 | Следующая страница

>ЗМІСТ

>ВСТУП.. 2

1.ІСТОРІЯВІДКРИТТЯ ІРОЗВИТКУХІМІЧНИХДЖЕРЕЛСТРУМУ.. 3

2.ХІМІЧНІДЖЕРЕЛАСТРУМУ.. 14

2.1ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА.. 14

2.2ПЕРВИННІДЖЕРЕЛАСТРУМУ.. 16

2.3ВТОРИННІДЖЕРЕЛАСТРУМУАБОАКУМУЛЯТОРИ.. 18

2.3.1СВИНЦЕВИЙКИСЛОТНИЙАКУМУЛЯТОР. 19

2.3.2КАДМІЄВО-НІКЕЛЕВИЙЛУЖНИЙАКУМУЛЯТОР. 21

2.3.4СРІБНО-ЦИНКОВИЙЛУЖНИЙАКУМУЛЯТОР. 22

2.4ПАЛИВНІЕЛЕМЕНТИ.. 23

2.5ХІМІЧНІДЖЕРЕЛАСТРУМУ НАОСНОВІНЕВОДНИХЕЛЕКТРОЛІТІВ 26

>ВИСНОВКИ.. 30

>ВИКОРИСТАНАЛІТЕРАТУРА.. 31


>ВСТУП

Усучасному світі широковикористовуються багатоявищ, щоописуються задопомогоюфізики йхімії.Вонизнайшлисвоєзастосування й стали неабиякимикорисними длялюдства.

>Хімічніджереластруму сталирішеннямдужебагатьох проблем, асаме, як можнаотримуватиавтономнийструм, щоотримується із маленькихелементів,відноснодешевий видотриманняструму.

Уданійкурсовійроботірозглянуто перекл наосновні йнайголовнішіджерелахімічногоструму. Асамегальванічніелементи,акумулятори,паливніелементи.

>Цікава йісторіярозвиткухімічнийджерелструму, а особливовідкриттяГальвані, якутакож описано укурсовійроботі.

Неаби якоїцікавістьвикликають йновітехнології поотриманнюструму задопомогоюхімічнихречовин, тепердужеактуальніелементи ізвикористаннямлітію,останнімирокамиціелементидуже доброзарекомендували собі. Отже -вивчитинайголовнішівластивості й принцип діїхімічнихджерелструмує позначкаданоїкурсової роботи.


1.ІСТОРІЯВІДКРИТТЯ ІРОЗВИТКУХІМІЧНИХДЖЕРЕЛСТРУМУ

>Автономні (>переносні)хімічніджереластрумуділяться напервинні (>гальванічніелементи) йвторинні (>акумулятори).Первинніджерела послеїхньоговиснаження незаряджаються, авикидаються. Не чудово, щоїхнявартістьзначнонижче, ніж вакумуляторів, щослугують,наприклад, умобільних телефонах. Однак принцип дії у яких один -окислювально-відновнахімічнареакція, приякійелектрони, щопереходять відвідновника доокислювача, йєелектричнийструм.

Довинаходугальванічнихелементівєдинимджереломелектрики булиелектричніелектростатичнімашини (>назва скидатися відгрецького слова ">електрон" -бурштин;зістаровини буввідомаздатністьшматківбурштинузаряджатися притерті йпритягатилегкіпредмети). Уцих машинахелектричний зарядвиникає зарахуноктертя.Потімз'явилисяіндукційнімашини, у які зарядиз'являлися наобертовних упротилежністоронискляних дисках йнакопичувалися на двохметалевихкулях -розрядниках (>такімашини можнапобачити і ушкільномукабінетіфізики). Колінапруга нарозрядникахперевищуєнапругу пробоюповітря (>приблизно 30кіловольт/див),проскакуєіскра йчутнийтріск;аналогічнеявище у великомумасштабівідбувається й прирозряді ">дійсної"блискавки.Такімашини дозволялипророблятидеякідосліди (>наприклад, задопомогоюіскри можна було бпідпалитиефір),однак смердоті було неможливодаватиелектричнийструмпротягомхоча бдекількох секунд.

У 1745-1746рокахнімецькийфізикЭвальд Юрген Фон Клейст йголландськийфізик Пітер ВанМушенбрук, щопрацювали вмісті Лейдені,створилипростийприлад, щодозволяєзберігатиелектричний заряд,отриманий віделектростатичноїмашини. Це був праобразсучаснихконденсаторів, що назвалилейденськоюбанкою.Вінтежмігдавати лишекороткочаснийрозряд.

>Створеннюпостійнихджерелструмусприяловідкриття,зроблененаприкінціXVІІІ в.італійськимпрофесороманатоміїЛуїджиГальвані.Гальваніпрепарував жабу, анеподалік стоялаелектростатична машина. Колівістря скальпелюторкнулосястегновихнервів, то, як писавшиГальвані, ">негайно усім'язикінцівокпочали такскорочуватися, щоздавалисязапалими внайсильнішітонічні судоми".ПомічникГальваніпомітив, що вцейсамий моментміж полюсамимашини проскочилаіскра.

>Такі жрезультати булизгодомотримані й наіншихтваринах й не лишехолоднокровних.Електричну машину вдосліді ізжабоюцілкоммігзамінитирозряд улейденськійбанці й, якзгодомз'ясувалося,атмосфернийрозряд -блискавка.Гальвані пояснившиценезвичайнеявищеіснуваннямдеякої ">тваринноїелектрики". На його думку,м'язи йнервиутворюють як бідві обкладкилейденської банки йможутьнакопичуватиелектрику.Дійсно, то йвідбувається велектричнихриб йскатів: вониєдоситьємніприродніконденсатори. Аліце сталовідомонабагатопізніше.Гальвані ж, сам того і непідозрюючи,передбачивдосвідинімецькогофізикаГенріха Рудольфа Герца, що задопомогоюіскри здобувширадіохвилі, апотімзміг їхніприйняти навідстанідекількохметрів.Тільки в Герцаприймачемслуживдротовийпрямокутник -антена ізіскровимпроміжком (>дужеслабкііскорки вприймачівінспостерігав утемряві задопомогою лупи), тоді як уГальвані рольантенивиконував скальпель, а детектором був нервжаби.

Однак удеякихдосвідахжаб'ячім'язискорочувалися безусякихвидимих причин: ані грози, аніелектричноїмашинипоблизу не було б.Виявилося, щоцевідбувається в тихийвипадках, колим'яз й нервз'єднаніметалевимдротом, й особливо сильно -якщоцейдрітскладений з двохрізнихметалів;сильнішеіншихдіяла паразалізо-срібло.

>Розкрити природувідкритогоГальваніявищавдалосьіталійськомуфізику Алессандро Вольта.Спочаткувінузагалі неповіривГальвані, але й,повторивши йогодосліди,переконався втім, щоявищедійснеіснує. Однакдосліди іздротомвін пояснившизовсімінакше:електрикавиникає приконтактірізнихметалів, а жаба -це простодужечуттєвийприлад длявиміру й доутворенняелектрики як такого ставлення немає.Дослідницьким шляхом Вольтарозташував метали до кількох таким чином, щочим далі один від одного смердоті в цьомуряді, тім понадсильнийефектроблять.Хіміки ізподивомзнайшли, що в такому ж порядкузмінюється йхімічнаактивністьметалів. У годинуцей рядназивається поручнапругметалів чиелектроднихпотенціалів. Уосновнихрисахвінмає видLі...Mg...Zn... Fe...Sn... H...Cu...Ag...Au.

Вольта,крімжаби,використовував йіншіспособивиміру,наприклад,власнийязик:він клав нанього золоту чисрібну монету, а подязик -мідну. як лишедвімонетиз'єднувалишматочкомдроту,відразу ж уротівідчувавсякислий смак,знайомийкожному,хтопробував "наязик"контакти батарейки длякишеньковоголіхтаря.Щобпідсилитиефект, Вольтаз'єднував паріметалівпослідовно, так щовийшовланцюжок, названа поіменівинахідника ">вольтовимстовпом".Спочаткуце були філіжанки ізрозчиномкислоти, у якої булиопущеніметалевісмужки,потім -кружечки із цинку йміді (чисрібла),розділені прокладками ізпапера,тканини, що булипропитанірозчином луці чи просторозсолом.

>Введення велектричнийланцюгрозчинів (Вольта назвавши їхніпровідниками іншого роду навідміну відметалів -провідників Першого роду)виявилосявирішальним увинаході Вольта. Упам'ять проГальвані, що помер у 1798, Вольта назвавши своїелементигальванічними.Незабароманглійськийхірург йхімік ЕнтоніКарлейльвиготовиввольтовстовп з 36послідовноз'єднанихцинковихкружків й монет Упершихдослідах ізбатареєюспостерігалосярозкладання води ізутвореннямгазів.

>ВідомийанглійськийхімікГемфріДевівиготовиввольтовстовп змідних йцинкових платівок,розділенихводянимрозчиномаміаку.Перша його батареяскладалася із 60 такихелементів, а ще черезкілька роківдовівїхнюкількість дотисячі. Задопомогоюцієїбатареївінпровівзнаменитідосвіди повиділенню новихелементів -лужних йлужноземельнихметалів.

>Ще болееграндіозну батареюпобудував закілька років доДевіросіянинфізик-самовучка ВасильВолодимирович Петров. У 1802роцівінстворив батарею, щоскладається із 4200мідних йцинкових пластин.Міжметалевими гурткамипрокладалисякартонні гуртки,просоченірозчиномхлоридуамонію. ">Стовп Петрова", навідміну від вольтовастовпа,розташовувався горизонтально в сухихвузькихдерев'янихшухлядках.Уся батарея бувскладена ізчотирьохрядів,кожендовжиноюблизько 3 м,з'єднанихпослідовномідними дужками. Проважкість роботи ізцієюбатареєюсвідчитьтакий факт:щобочистити лише 40 пластин послеїхньогоокислюванняпомічнику Петрова було бпотрібно неменшгодини!Теоретично така батареяможедаватинапругу до 2500 вольт. Задопомогоюцієїгігантськоїбатареї Петровпровівбезлічдослідів:вінрозкладаврізніречовини, у томучисліорганічні, атакожоксидиметалів -ртуті,свинцю і олова. У 1803 Петроввперше у світі здобувшиелектричну дугу йвказав наможливістьїї практичногозастосування; так, ізїїдопомогоюйомувдалосярозплавити метали,яскравовисвітлювативеликіприміщення.

>ПротягомXІХ ст.працямифізиків йхіміків бувзакладенатеорія роботигальванічнихелементів;основна заслуга в цьомуналежитьнімецькомуфізико-хімікуВальтеровіНернсту.Конструкціяелементівтакож бувзначноудосконалена.Головнийпідсумок роботитеоретиківтакий: угальванічномуелементівідбуваєтьсяпрямеперетворенняхімічноїенергії велектричну. Для цого велементі виннапротікатиокислювально-відновнареакція,наприклад,розчинення цинку в кислогосередовищі:

>Zn +2H+ =Zn2+ + H2.

>Атоми цинку (>відновники)віддаютьелектрони:

>Zn -2e =Zn2+,

аіониводню (>окислювачі)їхнійприймають:

>2H+ +2e = H2.


Угальванічномуелементіпроцесиокислення йвідновленняпростороворозділені:воденьповиннийвиділятися не так на цинку, але вміді.Тодіелектрони від цинку доміді будутьпереходити небезпосередньо врозчині (у цьомувипадку смердотігубляться безкористі), а ще череззовнішнійланцюг, деможутьробитикорисну роботу.Саме так працюєелемент Вольта.

>Струм велементізнімається задопомогою двохелектродів.Відповідно доприйнятоїноменклатури, на одному із них -анодіпротікає процесокислення, але вкатодійдевідновлення. Томуцинковийелектродгальванічногоелементу -це анод, амідний - катод (приелектролізі солей цинкувінвиділяється накатоді, бо при цьому цинк неокислюється, авідновлюється:Zn2+ +2e =Zn;аналогічно приелектролізі ізмідним анодоммідьокислюється:Cu -2e =Cu2+, так щовизначення катода і анодазалишається всилі)

Діягальванічногоелементуприпиняється послеповного чичастковоговикористанняякогосьелектроду (>наприклад, цинку). Бохімічнареакція, щопротікає велементі, не перевертня, його не можназнову ">зарядити".Електрорушійна силаелемента (>ЭРС) незалежить відрозмірів йконструкціїелектродів, відкількостіелектроліту, але йзалежить відприродихімічноїреакції, щопротікає, від складу йконцентраціїелектроліту.Якщоціпараметривідомі,ЭРС можнарозрахувати.Розрахувати можна йтеоретичнуємністьелемента. Так, за законом Фарадея длярозчинення 1 міль цинкупотрібно 2 мільелектронів, чи 96500кулонів (>ампер-секунд)електрики, чи 26,8ампер-годин.

>Здатністьметалупереходити врозчин увидііонів, атакожвідновлюватися ізіонів дометалухарактеризується йогостандартнимелектроднимпотенціалом. Ряд,вибудований у порядкузмінипотенціалів,називається поручстандартнихелектроднихпотенціалів (пристандартнихумовахконцентрації всіхіоніврівній 1моль/л,тиск всіхгазівскладає 1атм).

>Щобвизначитистандартнийелектроднийпотенціалметалу,вимірюютьЭРСгальванічногоелемента, один ізелектродівякого -досліджуваний метав,занурений урозчин йогосолі (приконцентрації 1моль/л), адругийелектрод -еталонний (йогощеназиваютьводневим).Вінвиготовлений іздужепористоїгубчатоїплатини ізанурений урозчинкислоти (>концентраціяіонів H+ 1моль/л);платиновийелектродбезупиннооточуєгазоподібнийводень (подтиском 1атм), щочастковорозчиняється вплатині. Таким чином, усіелектродніпотенціали - неабсолютні, авідносні,обмірювані длягальванічної парі метав -водень (>потенціал стандартноговодневогоелектродуприймаютьрівним нулю).Визначені вумовахпотенціалирізнихметалівзавжди будутьпостійними, смердотізанесені вусідовідники йприводятьсязвичайно длятемператури250С).Електродніпотенціалиактивнихметалів, щореагують із водою,отриманінепрямим шляхом.

>Електродніпотенціализаписують якпотенціаливідновленняіонівметалів.Найнегативнішийпотенціал (-3,04 У) - уреакціїLі+ + e =Lі; один ізнайпозитивніших (+1,68 У) - уреакціїAu+ + e =Au. Це говорити про ті, щоЭРСгальванічної парілітій-золото (>якби така парі моглапрацювати у водяникусередовищі) був брівною 4,72 У; длярозповсюдженої парімідь-цинкЭДСзначно менше йдорівнює 1,10 У (>відповідніпотенціалиметаліврівні - 0,76 й +0,34 У). Дляневоднихелектролітів можнавикористовувати йлужні метали; такулаштовані,наприклад,літієвіелементи (їхньогозастосовують,зокрема, для ">харчування"стимуляторівсерця) - смердотідаютьЭРС до 3,5 У.Звичайно,потенціали дляневоднихрозчинівінші.

Прироботігальванічногоелемента, коли черезнього й череззовнішнійланцюгйдеструм,напруга наелектродахзнижується;цезниження за законом Омазалежить відвнутрішнього опоруелемента (>звичайно воно таскладає від 1 до 20Ом) й відсилиструму. Длядеякихелементівцезниженняневелике й неперевищує 0,1 У, дляіншихможе бутизначно великим.Стосовно доджерелструмузниженнянапруги наелектродах прироботіелементаназиваєтьсяполяризацією.Воназалежить відхімічноїприроди йконструкціїелектродів, від складу йконцентраціїелектроліту,щільностіструму,температури. Такназиванахімічнаполяризація частоспостерігається привиділенні наелектродахводню йкисню. Розміртакоїполяризації вдуже сильномуступенізалежить відматеріалуелектрода.Наприклад,якщо велементі Вольтазамінитиміднийелектрод наплатиновий, тонапругаелементазростемайже на 0,5 У.Якщо жзамістьмідногоелектродаузятисвинцевий, тонапруга,навпаки,упадеприблизно на 0,6 У.Різницяміжекспериментальним йтеоретичнимпотенціаломелектрода дляданоїконцентраціїіонівводню йщільностіструмуназиваєтьсяперенапругоюводню на цьомуелектроді.Поляризаціявідіграє роль процесівелектролізу:якбиїїзовсім не було б,розрядіонівводнюйшов бі уже придужемалійнапрузі наелектродах, чого неспостерігається.

Уелементі Вольтанавіть принезамкнутомузовнішньомуланцюзі все-такийдеокислювально-відновнареакція намежіцинк-кислота (катодамислугуютьдомішки в цинку). Томуцеджерелоструму напрактиці незастосовується.Крім того, щовиділяються намідномуелектроді йприлипають доньогопухирціводню сильнозаважаютьроботіелемента. Нацюобставину в 1836звернувувагу ДжонФредерікДаніель -британськийхімік й метеоролог (>вінвинайшовтакожвимірниквологості -гігрометр). У йогоконструкціїцинковийелектродзанурений урозчин цинковогокупоросу (>сульфату цинку), амідний - урозчинмідногокупоросу (>сульфатуміді). Урезультаті намідномуелектродіводень невиділяється, айдереакціявідновленняіонівміді:Cu2+ +2e =Cu.Щобобидваелектроліти незмішувалися,Даніельрозділивїхньоюпористоюперегородкою ізнеобпаленоїглини.Такийпристрійупершезабезпечивтривалу йрівномірнудіюгальванічногоелемента, а йогоЭДС (>електрорушійна сила)близька дотеоретичного йдорівнює 1,09 У. ЗацейвинахідДаніель буввизнанийгіднимвищоїнагородиКоролівськогосуспільства -золотоїмедаліКоплі.Незалежноаналогічнийелемент буврозробленийросійськимученимБ.С.Якобі.Цейелемент припорівняльноїпростоїконструкціїмавзначнуємність йпротягомдекількохдесятилітьзастосовувалося якджерелохарчування нателеграфі. І в даний годину роботухімічнихджерелструмупояснюють наприкладіелементаДаніеля -Якобі.

>Інакшевирішили проблемуполяризації катодаГрені,Бунзен й Гроув.Гренізамінивміднийелектродвугільним, а дорозчинусірчаноїкислотидодав дихроматкалію.Дихромати в кислогосередовищі -дужесильніокислювачі, томуводень накатоді простоокислявся до води. УелементіБунзенавугільний катод бувзанурений уконцентровануазотну кислоту, що перебувала впористійкерамічнійсудині, азовні бувцинковий анод урозведенійсірчанійкислоті.СамеелементиБунзена послужилиЧ.М.Холу, щовперше здобувшиалюміній методомелектролізу. УГроувазамістьвугільногоелектрода бувплатиновий, а цинк Гроувамальгував.Щоб цинк нерозчинявся вкислоті у тому годину, коли такимиелементами некористаються,цинковийелектродробилипіднімальним.

>Значноудосконаливгальванічнийелемент йзробив йогозручним для практичноговикористанняфранцузькийінженер ЖоржЛекланше в 1867 якдеполяризаторвінвикористовувавдіоксидмарганцю, що накатодівідновлюється,перешкоджаючивиділеннюгазоподібноговодню:

>MnО2 +4H+ +2e =Mn2+ +2H2O.Спочаткуелектролітомслуживводянийрозчинхлоридуамонію;потімЛекланше ставшивикористовуватиелектроліт,загущений клейстером. Цереволюційним чином змінилосясправу: ">сухі"елементиЛекланше пересталибоятисявипадковогоперекидання, їхнього можна було бвикористовувати вбудь-якімположенні.ВинахідЛекланшемавнегайнийкомерційнийуспіх, а самвинахідник, закинувши своюосновнупрофесію,відкрив фабрику повиробництвуелементів.

У годинуелементиЛекланше -найдешевші, йвипускаютьсямільярдами.Цьомусприяєприступність йдешевинасировини: цинкдешевшеміді, аMnО2 -найпоширенішасполукамарганцю вприроді (>мінералпіролюзит).Багатіпокладицієї рудіймаються вАфриці,Бразилії,Мексиці.АктивнакатоднасумішелементівЛекланше, щооточуєвугільний катод,пресується іздіоксидамарганцю йграфіту іздобавкоюелектроліту.Цинковіанодиспочаткуробилизі сплаву, щоміститьсвинець,кадмій йдосить багато (до 8%)ртуті.Зараззмістртутізведений домінімуму, абагатьохелементахртуті немаєзовсім (нимипозначено ">mercury free").Вже ізпершихдніввиробництваелементівЛекланше було бвстановлено, щорізніджереладіоксидамарганцю сильновпливають на ті характеристикиелемента.Дійсно,відомопринаймніп'ятькристалічнихмодифікаційMn2, щорозрізняються повластивостях.Найдешевшіелементивикористовуютьприроднийпіролюзит,добутий уГані, чиГабонуМексиці.Уся йогопереробказводиться до простогоперемелювання йпромивання.Щободержати болеевідтворенірезультати,використовують чихімічноелектрохімічномодифікованийвисокоякіснийMnО2,змішаний ізвугільним порошком, азамістьхлоридуамоніюзастосовують болеедорогий хлорид цинку -такіелементизвичайнопозначають як ">heavy-duty",тобтопідвищеноїпотужності.Теперзрозуміло,чомурізніелементи таквідрізняються заціною йякістю.

Улужнихелементах (>їхнємасовевиробництвопочалося в1950-і)електролітом служитицинкаткаліюK2Zn(OH) 4 уконцентрованомурозчиніКОН; при цьому накатодійдереакціяMnО2 + H2O + e =MnOOH +OH-. Улужнихелементах (ними значитися ">alkalіne") анодскладається іздрібнихцинкових гранул угеліелектроліту,поміщених устаканчик-сепаратор.Вінстосуєтьсявнутрішньоїстінкизовнішньогосталевогоциліндра.

>Якщохімічнеджерелострумузробленеякісно й неробить роботи (не включень ані вякийелектричнийланцюг), тонапруга наньомуможе немінятися буквальностоліттями. Так,електричнийдзвоник, щозберігається вмузеїфізичнихприладівКларендонскойфізичноїлабораторії вОксфорді, безусякої чипідзарядкизмінибатареї, справно (йбезупинно) працює відбатареїгальванічнихелементів вже понадпівторастоліття!

Навідміну відгальванічнихелементів, вакумуляторі (>назва скидатися відлатинського слова, щоозначає ">нагромаджувати", ">збирати")використовуютьсяоборотніхімічніреакції. Так, прирозрядінайпоширенішогосвинцевогоакумулятора (>їхнєсвітовевиробництвоперевищує 100 млн. урік)йдереакція

>PbО2 +Pb +2H2SO4 =2PbSO4 +2H2O; унікель-кадмієвому -2NіOOH +Cd =2Nі(OH) 2 +Cd(OH) 2

(>аналогічнареакціяйде внікель-залізномуакумуляторі); усрібно-цинковому

>Ag2O +Zn =Zn +2Ag;

призаряді усіціреакціїйдуть узворотному напрямі. Томуакумулятор можназаряджати задопомогоюзовнішньогоджереластруму.Акумулятори (>наприклад, длямобільного телефону)помітнодорожчегальванічнихелементів.

>Акумуляторидаютьприблизнотаку жнапругу, як йгальванічніелементи. Так,найпоширенішийкислотнийсвинцевийакумулятордаєблизько 2 У,лужнийнікель-кадмієвий -близько 1,3 вольт, анікель-залізний -близько 1,4 вольт.Такоїнапругицілкомдостатньо для роботикварцовихгодинників, але й уже лампочка длякишеньковоголіхтарягоріти від одногоакумулятора не якщо. Тому, як йгальванічніелементи,акумулятори дляпідвищеннянапругиз'єднують убатареї. Дляживлення диктофона, плеєра чифотоапаратадосить двохз'єднанихпослідовноакумуляторів. Наавтомобіляхз'єднуютьпослідовно ужешістьсвинцевихакумуляторів; смердотіздатнікороткочаснодаватидуже великийструм,необхідний для запускудвигуна.Гальванічніелементи йбатареї великихструмівдавати неможуть.Акумуляторипрацюютьтакож накосмічних кораблях, велектромобілях йелектрокарах, їхньоговикористовують дляаварійноговисвітлення.

У 1970 р.почалисьдослідження нового типуакумуляторів -нікель-гідридних, а80-і роктаз'явилися Першіробочізразки, у якіструмгенерувався врезультатіреакції2NіOOH + H2 =2Nі(OH) 2. Призарядіводеньзновувиділявся. Боводень для такихакумуляторівзнаходиться под великимтиском, блок ізелектродамипоміщають усталевийциліндр.Ціакумулятори запасали на 40% понаденергії (наодиницюмаси), ніжнікель-кадмієві. Черезвисокувартість (>тисячідоларівкожний)ціакумуляторизастосовувалинасамперед там, де особливоважливіекономія ваги,тобто вкосмічнійтехніці. Уостанні роктарозробленімініатюрніметал-гідридні

>акумулятори; вони призарядікатіониводню велектролітівідновлюються,атомиводнюдифундують у метав (>звичайновикористовуютьсяинтерметалічнісклади) йутворюєтьсягідрид. Прирозряді процесйде взворотному напрямі.Перевагу такихакумуляторівможеоцінитикоженвласникмобільного телефону.

Пропотенційніможливостіакумуляторів говорититакий факт. УЗахідномуБерліні,побоюючисьвідключенняелектроенергіївладою НДР (у 1961році уже бувпочатаспробазадушити містоблокадою),спорудиливеличезнуакумуляторну батарею.Ця батареямасою 630 тон припотужності 17мегават могла вразіпотребипротягомгодини, до запускуаварійнихелектростанцій,постачатибагатомільйонне містоелектроенергією.

Уостаннідесятиліттяінтенсивні роботиведуться постворенню іудосконаленнюпаливнихелементів -пристроїв, щовиробляютьелектроенергію зарахунокхімічноїреакціїміжречовинами, щобезупинноподаються доелектродівззовні.Окислювачемнайчастішеслугуєкисень, апаливомможе бути,наприклад,водень. Набазі такихелементів вжепрацюютьдослідніелектростанції.


2.ХІМІЧНІДЖЕРЕЛАСТРУМУ

2.1ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

>Будь-якийелектрохімічнийелемент упринципієджереломелектричногоструму. Однак для практичноговикористання якджереластрумупридатналишенезначначастинацихелементів. Цепов’язано із тім, щоелемент винен матірдоситьвеликуелектричнуємність,високушвидкість йоборотністьелектрохімічнихпроцесів,стабільність приексплуатації,технологічність йекономічністьвиробництва.

>Всіхімічніджереластруму (ХДС)поділяються втричігрупи:джереластрумуодноразової дії (>гальванічніелементи),джереластрумубагаторазової дії (>акумулятори),паливніелементи.

Упервинних ХДСелектродніматеріализавантажуються велемент привиготовленні, йелементексплуатується,поки йогонапруга невпаде додеякого критичногозначення.Електродніматеріали ХДС, щовідпрацювали,йдуть увідходи чичастковопереробляються длярегенераціїкомпонентів.

Уакумуляторахелектроактивніречовини уходіпопередньогоелектролізу (зарядакумулятора). Упроцесіексплуатації смердотівитрачаються (>розрядакумулятора), анапругаакумуляторазнижується додеякої граничнодопустимоївеличини, после чогозновупроводять заряд.Процеси заряду йрозрядуутворюють цикл роботиакумулятора.Максимальне числоциклів (>звичайнодекількасотень)залежить від типуакумулятора й умів йогоексплуатації.

>Робота ХДСхарактеризується поручпараметрів, від якізалежитьможливістьвикористання ХДС для тихий чиінших потреб.

>Електрорушійна сила (ЕРС)хімічногоджереластруму, як йбудь-якогоелектрохімічного кола,визначаєтьсярізницеюпотенціалівелектродів (анода й катода) прирозімкненомузовнішньомуколі.

>Повнимвнутрішнімопоромr ХДСназиваєтьсяопір, що лагодитися ним припроходженнівсерединіньогопостійногоструму:

де ЄП - ЕРСполяризації: І - силаструму.

>Перша ізцихскладовихr0називаєтьсяомічнимопором йявляє собою сумуопорівелектродів йелектроліту. ДругаскладоваrП -зумовленазміноюпотенціалівелектродів припроходженніструму йназиваєтьсяопоромполяризації, чифіктивнимопором, його величиназалежить відвеличиниструму. Упроцесірозряду ХДСповнийвнутрішнійопірзбільшується череззміну складуелектроліту йелектродів.Наявністювнутрішнього опорузумовлене ті, щорозряднанапруга Up (>тобтонапруга призамкненомузовнішньомуколі)завждименша за ЕРСджереластруму:

(>нижнійіндекс "р"означаєрозряд).

Припостійнійвеличиніструму тапостійнійтемпературіелектролітурозряднанапругазменшується учасі.

>ЗаряднанапругаUзоборотних системвиражаєтьсярівнянням:

Припостійнійвеличині зарядногострумузаряднанапругазбільшується учасівнаслідок збільшення ЄП. Укінці заряду, коливідбувається в основному процеселектролізу води,значенняUзстабілізується.

>Розрядноюємністю (>ємністю заструмом)Qрназивається такількістьелектрики, Якаможе бутиотримана від ХДС приданихумовах роботи,тобто призаданихтемпературі,величинірозрядногоструму йкінцевомузначеннірозрядноїнапруги.

2.2ПЕРВИННІДЖЕРЕЛАСТРУМУ

Одними ізнайбільшпоширенихпервинних ХДСємангано-цинковіелементи,виробництво якістановитьблизько 3 млрд.одиниць нарік. Цесольовіелементи (системаЛекланше):

(-)Zn | 20% -нийрозчинNH4Cl |MnO2 | З (+)

талужні

(-)Zn |KOH |MnO2 | З (+)

>НегативнимелектродомелементаЛекланшеєцинковий склянку,електроліт -розчинхлоридуамонію ззагусником (>борошном чикрохмалем).Позитивнийелектродявляє собоювугільнийстрижень,оточенийпіролюзитомMnO2. Дорозчинухлоридуамоніюдодається невеликакількістьхлориду цинку,хлоридукальцію йхлоридуртуті.Першідвісолігігроскопічні йперешкоджаютьпересиханнюелемента тазбільшуютьв’язкістьрозчину.Хлоридртутівиконуєподвійнуфункцію: із одного боці, ртуть зхлоридучастковоосідає на цинку (>Zn +HgCl2 =ZnCl2 +Hg),поверхняякоговнаслідок цогоамальгамується йстає болееоднорідною, щозменшуєсаморозряд. Зіншого боці хлоридртутізнищуємікроорганізми йзапобігаєбродіннюкрохмалю.Останнім годиноювиготовляютьелементи бездомішоксполукртуті, котрізамінюютьорганічнимиінгібіторами. Порошокпіролюзиту для збільшенняелектричноїпровідностізмішується ізсажею чиграфітовим порошком.

Законструкцієюсучасніелементирозділяються нациліндричні,прямокутні,чашкові тагалетні.

>Хімічнимпроцесом, щоперебігає велементі,єокислення цинкудіоксиноммарганцю:

>Zn +2NH4Cl +2MnO2 = [>Zn(NH3) 2]Cl2 +Mn2O3 + H2O

ЕРСелемента типуЛекланшедосягає 1,5 У, йоговнутрішнійопірдорівнює 0,05 - 1Ом,потужність 20-25Вт/кг.ІснуютьрізніваріантиелементуЛекланше. Удеяких з нихзамістьхлоридуамоніюзастосовується,наприклад, хлорид (чибромід)магнію,якийсприяєзменшеннюсаморозрядувнаслідокзахисної діїMg(OH) 2, щоутворюється, але йцейелементмає болеенизькунапругу. У тихийвипадках, коли віделементапотрібнависокапитомапотужність,замість цинкузастосовують болеелегкі метали -магній чиалюміній,наприкладмангано-магнієвийелемент:

>Mg |MgBr2 |MnO2 | З,

вякомувідбуваєтьсяреакція

>MnO2 +Mg + H2O =MnO +Mg(OH) 2



>Малюнок 1.1 Схеманайпростішогогальванічногоелементу

>Малюнок 1.2 Схемамангано-цинковогоелементу (батарейки)

2.3ВТОРИННІДЖЕРЕЛАСТРУМУАБОАКУМУЛЯТОРИ

Уакумуляторах припропусканнікрізь нихелектричного току відзовнішньоголанцюгу (заряд)йдутьхімічніреакції велектродах йрозчинах,близькі дооборотних, й роботаелектричного токуакумулюється увиглядівільноїенергіїпродуктівреакції.Зарядженийакумулятордаєелектричнийструм прирозряді, после чогознову можна йогозарядити.


>Малюнок 2.Загальнабудоваакумулятору

>Найбільш широковикористовуютькислотнийсвинцевий,лужнийкадмієво -нікелевий талужнийсрібно -цинковийакумулятори.

2.3.1СВИНЦЕВИЙКИСЛОТНИЙАКУМУЛЯТОР

>Свинцевийкислотнийакумулятор взарядженомустаніявляє собоюелемент:

(-)Pb,PbSO4(т) |H2SO4 (32-34%) |PbO2,Pb (+)

прироботіякогопротікаютьнаступніелектродніреакції: налівомукатоді:

на правомуелектроді:


>сумарнареакціяпроцесу:


>Малюнок 3. Схема діїсвинцевогоакумулятору

>Ізобарнийпотенціалцієїреакціївідображаєзникненнятвердихсвинцю й йогодіоксину,виникнення твердогосульфатусвинцю, атакожзникнення 2 мільсірчаноїкислоти йвиникнення 2 міль води:

Так якхімічніпотенціалитвердих фазпостійні (приданихтемпературі йтиску), то


>Ізобарнийпотенціал й ЕРСакумуляторазалежать відконцентраціїсірчаноїкислоти (>точніше - відактивностікомпонентіврозчину).

Упроцесірозрядуакумулятораконцентраціясірчаноїкислотизменшується, а призарядженнізбільшується.

2.3.2КАДМІЄВО-НІКЕЛЕВИЙЛУЖНИЙАКУМУЛЯТОР

>Цейакумулятор узарядженомустаніявляє собоюелектрохімічнийелемент:

(-)Cd |Cd(OH) 2,KOH (20%) ||KOH (20%),Ni(OH) 2,Ni(OH)3/Ni (+)

>Сумарнареакція й цьомуелементі:

>Cd +2Ni(OH) 3 =Cd(OH) 2 +2Ni(OH) 2

>Значення дляцієїреакції не виннезалежати відконцентрації луці, це усумарнійреакціїприймають доля лишетвердіречовини. Однакреакції наелектродахсупроводжуютьсязміноюконцентрацією луці йутвореннямрізниціконцентрації у двохелектродів:

>Цярізниця виннавизначатиконцентраційнуполяризацію,котразменшує ЕРСелементу. Однак врезультатіперемішування вумовахблизькостіелектродівцярізницяконцентрацій практично невиникає.

ЕРСкадмієво -нікелевогоакумуляторарівнаприблизно 1,36 У.Використовуютьсятакілужніакумулятори, в якікадмій й оксидкадміюзамінюютьзалізом тазакиснимзалізом.


2.3.4СРІБНО -ЦИНКОВИЙЛУЖНИЙАКУМУЛЯТОР

>Анодомєпористацинкова платівка, катодомоксидисріблаAg2O йAgO,отриманіелектролітичнимокисненнямметалічногосрібла.Електроліт -концентрованийрозчинКОН,насиченийцинкатомкаліяZn(OK) 2.Зарядженийакумуляторможе бути уявлень увигляді:

(-)Zn |Zn(OK) 2 +KOH(40%) |Ag2O чиAgO |Ag (+)

>Сумарнареакція в цьомуелементі

>AgO +Zn =ZnO +Ag

>Процес проходити удвістадії:AgOвідновлюєтьсяспочатку доAg2O, далі дометалічногосрібла. ЕРСелементів із катодомAgOрівна 1,86 У, із катодомAg2O - 1,58-1,60 У. Прималійгустиніструмунапругападає на 0,3 У припереході відпершоїстадії додругої.Практичновикористовуєтьсялише другастадія.

>Післярозрядуакумулятора:

(-)Zn |ZnO,Zn(OK) 2 +KOH (40%) |Ag (+)

У цихакумуляторах навідміну відсвинцевих йлужнихелектроліт вреакціях заряду йрозряду неприймаєучасті,саме цьому його можнабрати вмалійкількості. Це дозволилосконструюватиакумулятори, щомаютьдужеефективнуконструкцію:електродизнаходяться одинбіля одного йрозділені тонким кулеюцелофану. Весьелектролітзнаходиться в порахелектродів.Срібно -цинковіакумуляторимаютьвеликуємність,високуенергію йвисокупотужність наодиницюмаси йоб’єму,саме цьому смердоті широкозастосовуються там, денеобхідніакумуляториневеликогорозміру.


2.4ПАЛИВНІЕЛЕМЕНТИ

У наш годину великачастинаелектроенергіївиробляється натепловихелектростанціях приспалюванніприроднихенергоносіїв (>вугілля,нафти, природного газу). При цьому процесперетворенняхімічноїенергіїпалива велектричну проходити через тристадії:перетворенняхімічноїенергії утеплову призгоранніпалива; далі -тепловоїенергії умеханічну роботу упаровіймашині;нарешті,перетвореннямеханічної роботи велектроенергію угенераторі. На всіхцихстадіяхвтрачаєтьсяенергія йкоефіцієнткорисної дії (>ККД)сучаснихтепловихелектростанційстановитьблизько 40%, абільшостіелектростанцій - 25%.

>Термодинамічнийаналіз, провадженьще у ХІХ ст. ., показавши, що вгальванічнихелементах немає такогообмеженняККД, як утеплових машинах. У 1893 р.Нернстобчислив, щоякбивдалосяперетворюватихімічнуенергіювугілля велектричнуелектрохімічним шляхом, томаксимальнийтеоретичнийККД такогопроцесустановив бі 99,75%. Однак через численнітехнічнітруднощі Першіпрацездатніпаливніелементивдалосястворитилише у 30 - 40 - xроках ХХ ст. .

>Паливнимиелементаминазиваютьгальванічніелементи, в якіелектрохімічноактивнимиречовинамислугуютьзвичайнігорючіречовини йкисень, апроцесомгенеруванняструмуєокислення горючихречовин. Прироботіелемента проводитисябезперервна подачареагентів йвідвіденняпродуктівреакції, так що складсистеми практично незмінюється.

Прироботібудь-якогохімічногоджереластруму проходитисумарнахімічнареакціявзаємодіїокисника ізвідновником.Максимальнаелектрична робота,отримана прироботіджереластруму,рівназменшеннюізобарногопотенціалу дляцієїреакції:


>Перетворенняенергії уелектричну шляхомпаливнихелементівдоволіскладний процес.Максимальнаелектрична робота,отримана при зграбномуперетворенні,визначаєтьсятепловимефектомреакції

>Найбільшреакційноздатним виглядомпаливаєводень.Воднево -кисневіелементизазвичайвиготовляють іззастосуванняммілкодрібнихвугільних чинікелевихелектродів, щозанурені влужнийрозчинелектроліту. Схематичнотакийелемент можнауявити в такомувигляді:


(-) (>Ni) H2 |KOH (30-40%) |O2(Ni) (+)

>Малюнок 4.Воднево-кисневийпаливнийелемент

Прироботіелемента на негативномуелектродіпротікаєелектроднареакція:


На позитивному

>Сумарнареакція

>Теоретичнезначення ЕРСводнево -кисневогоелемента при250Сдорівнює 1,229 У й незалежить від складурозчину -електроліту.

Прирозрядіводнево -кисневихелементівнапругатримається умежах 07, - 0,9 У, взалежності відгустинирозрядногоструму наелектродах (влучнихконструкціяхелементівгустинаструмусягає 200-300ма/см2).

>Іншівидигазоподібногопалива (оксидвуглецю,вуглеводні) практичноможуть бутизастосовані упаливнихелементах лише припідвищених температурах (>вище400-5000С). Такихвисокотемпературнихелементах уякостіелектролітувикористовують чирозплавивуглецевих солейлужнихметалів, читвердіелектроліти ізаніонною (>кисневою)проводністю.

>Спробибезпосередньовикористовуватитвердевугілля упаливнихелементахпокибезуспішні.Вугілляможе бути використано лише послепопередньоїгазифікації його.Якщогазифікаціюпроводити задопомогою СО2,спостерігаєтьсянаступнапослідовністьреакцій:

>Газифікація

Упаливномуелементі

>Сумарнареакція

>Водень -кисневийелемент можнастворити,наприклад, задопомогою двохплатиновихелектродів,занурених уводнийрозчингідроксидукалію. Одинелектродомиваєтьсяводнем,інший -киснем;

>Pt(H2) |KOH,насичений H2 |KOH,насичений О2 | (>O2)Pt.

У цьомуелементіокисненняводню йвідновленнякиснюпростороворозділені,

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

  • Реферат на тему: Хімія в нашому жітті
    ПЛАН >Хімія в >ванній >кімнаті 3 Вода. 3 >Поверхнево-активні >речовини (ПАР) 3 >Зубні порошки й
  • Реферат на тему: Хлор
    По поширеності у природі хлор близький до фтору йому доводиться 0,02 % від загальної кількості
  • Реферат на тему: Хром і кисень
    >Хром (>Chromium). >Хром міститься у земної корі у кількості 0,02%. У природі він зустрічається
  • Реферат на тему: Хром і методи його визначення
    Казанський Державний Технічний Університет їм. О.Н. Туполєва Курсова робота на задану тему: «>ХРОМ
  • Реферат на тему: Хроматографічні методи
    Запровадження >Хроматографический метод – фізико-хімічний метод поділу компонентів складних сумішей

Навігація