Гальванические элементы

Свинцово-кислотный аккумулятор. Основы и сущность процессов протекающих на электродах при его работе, применение.

Свинцово-кислотный аккумулятор основан на окислительно-восстановительной реакции

Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из решётчатых свинцовых пластин, поры в решётках заполнены. В одной – губчатый свинец (Pb), в другой решётке паста из оксида свинца (PbO₂). Пластины погружены в электролит H₃SO₄ (ρ=1,23г/см³,ω(H₃SO₄)=35,4%)

Путем присоединения к внешнему источнику постоянного тока, то можно осуществить обратный процесс.

Электрохимическая связь.

Pb/PbSO₄//H₂SO₄//PbSO₄/PbO₂

Преимущество свинцового аккумулятора – большая электрическая ёмкость, устойчивость в работе, большое количество циклов (разрядка-зарядка).

Недостатки – агрессивность электролита, токсичность свинца, высокая масса, большие габариты.

Применение: наиболее широко применяется в технике. Он служит источником тока для стартёров двигателей внутреннего сгорания, для аварийного освещения и других целей.

27) Марганцево-цинковый элемент — это первичный химический источник тока, в котором катодом является двуокись марганца MnO2 (пиролюзит) в смеси с графитом (около 9,5 %), анодом – металлически цинк Zn, электролитом - желеобразный раствор Хлористого Аммония с добавкой различных загустителей для увеличения вязкости.

При работе элемента цинк окисляется:

2Zn-4e- = 2Zn2+.

Часть образующихся ионов цинка связывается молекулами аммиака в комплексный ион:

Zn2++4NH3 = [Zn(NH3)4]2+.

Молекулы аммиака образуются в растворе вследствие гидролиза иона аммония:

4NH4++4H2O = 4HN3+4H3O+.

Электроны, получающиеся при окислении цинка, по внешней цепи переходят к диоксиду марганца, который при этом восстанавливается:

4MnO2+4H3O++4e- = 4MnO(OH)+4H2O.

Если сложить все 4 уравнения, то получится ОВР, идущая в элементе:

2Zn+4MnO2+4NH4+ = =Zn2++[Zn(NH3)4]2++4MnO(OH).

Устройство марганцово-цинкового сухого элемента:

(1) — металлической колпачок,

(2) — графитовый стержень,

(3) — цинковый корпус,

(4) — влажная паста из хлорида аммония, диоксида марганца, и графитовой крошки,

(5) — металлический контакт.

28) Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: аккумуляторные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде.

Энергия возникает в результате взаимодействия оксида свинца и серной кислоты до сульфата (классическая версия). Проведенные исследования в СССР показали, что внутри свинцового аккумулятора протекает как минимум ~60 реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита(нехимические)[1]

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде[2][1] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева-направо — разряд, справа-налево — заряд):

29)

Сущность электролиза

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролитов.

Для осуществления электролиза к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока присоединяют катод, а к положительному полюсу — анод, после чего погружают их в электролизер с раствором или расплавом электролита.

Электроды, как правило, бывают металлические, но применяются и неметаллические, например графитовые (проводящие ток).

На поверхности электрода, подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного тока (катоде), ионы, молекулы или атомы присоединяют электроны, т. е. протекает реакция электрохимического восстановления. На положительном электроде (аноде) происходит отдача электронов, т. е. реакция окисления. Таким образом, сущность электролиза состоит в том, что на катоде происходит процесс восстановления, а на аноде — процесс окисления.

В результате электролиза на электродах (катоде и аноде) выделяются соответствующие продукты восстановления и окисления, которые в зависимости от условий могут вступать в реакции с растворителем, материалом электрода и т. п., — так называемые вторичные процессы.

Металлические аноды могут быть: а) нерастворимыми или инертными (Pt, Au, Ir, графит или уголь и др.), при электролизе они служат лишь передатчиками электронов; б) растворимыми (активными); при электролизе они окисляются.

30) Процессы поляризации, определяемые, в общем случае, как разность потенциалов поляризации , представляют собой результат изменения электродного потенциала катода и анода под действием проходящего тока:

На процессы поляризации электродов влияет не только величина тока, но и поверхность электрода, т. е. плотность тока j:

, где S – поверхность электрода (см², дм²), j – плотность тока (А/см², А/дм²).

Природа процессов, изменяющих электродные потенциалы различна, и поляризационные процессы можно разделить на несколько типов:

1) Концентрационная поляризация возникает за счёт концентрации ионов в поверхностном слое электрода.

2) Газовая поляризация возникает, главным образом, на катоде гальванического элемента или электролизёра за счёт разрядки ионов водорода.

3) Химическая поляризация изменяет поверхность электрода за счёт реакций со средой или электролита при прохождении электрического тока.

31) Самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате взаимодействия с окружающей средой, происходящий с выделением энергии и рассеиванием вещества (рост энтропии), называется коррозией. Коррозионные процессы протекают самопроизвольно и необратимо в соответствии со вторым началом термодинамики.

Химческая сторона коррозии – это всегда окисление металла, которое сопровождается переходом его

Физическая сторона этого процесса связана:

1. диффузия компонентов среды поверхности металла;

2. возникновение электродных потенциалов;

3. если есть превращение одних веществ металла в другие (окислы, соли). Происходит изменение физических свойств в зависимости от условия протекания, а следовательно, среды эксплуатации конструкции различают:

- газовую (высокотемпературную);

- атмосферную;

- почвенную;

- в водной среде;

- коррозию в жидких не электролитах (бензине, маслах);

- в электролитах, при кислотных дождях.

В зависимости от условий коррозии имеет различный механизм, газовая в сокотемпературная и коррозия в не электролитах протекает как химическая коррозия, то есть имеет место непосредственного взаимодействия металла с кислородом или другими окислителями.

32)

Можно выделить несколько направлений борь­бы с коррозией:

I группа: структурирование материала на стадии получения сплавов. Первое направление обусловле­но учетом условий коррозии при конструирова­нии технических устройств. Если в техническом устройстве в качестве конструкционных мате­риалов одновременно используются медь и же­лезо, цинк и железо и т. д., то, очевидно, такое техническое устройство будет быстро коррозировать.

II группа: нанесение покрытий. Нанесению покрытий должно предшествовать подготовка поверхности материала, а при нанесении необходимо соблюдать технологические режимы это обеспечивает сохранение однородности материала. Второе направление борьбы с коррозией — это тщательная покраска технического устройства. Например, автомобилисты покрывают днище, крылья и двери автомобиля специальной масти­кой, которая препятствует проникновению к по­верхности металла воздуха и влаги.

III группа: электрохимические методы защиты. Третье направление защиты от коррозии — так называемая протекторная защита металла. Для защиты металла специально создаются ус­ловия для электрохимической коррозии. Но де­лают это так, чтобы нужный металл не разру­шался, а коррозировал специально закреплен­ный другой металл. Например, если к стальной поверхности прикрепить цинковые пластинки, то коррозировать будет цинк. Стальная поверхность, таким образом, будет защищена. У нас в стране был опыт использования протекторной защиты автомобилей. Для этого государствен­ные регистрационные номера изготовляли из цинка. Предполагалось, что в процессе эксплуата­ции разрушаться будут номера, а автомобиль — нет. Но эксплуатация таких «защищенных» автомобилей в условиях крупных городов, в кото­рых зимой дороги посыпаются солью, приводит к настолько быстрой коррозии, что протектор­ная защита не спасает. Кроме того, через несколь­ко лет цинковые номера настолько сильно раз­рушились, что возникла проблема их замены.

IV группа: активирование или пассивирование поверхности материала. Четвертое направление защиты от коррозии — это покрытие одного металла другим, более ус­тойчивым к коррозии. Так, иногда части техни­ческих устройств покрывают никелем или хро­мом. Они выглядят очень привлекательно и ус­тойчивы к коррозии.