Некоторые области применения электрохимии

Идеи гальванических элементов и электролитических ячеек реализованы во многих электрохимических установках и технологиях. Большое значение имеют химические источники тока: первичные (необратимые), вторичные (обратимые) и топливные.

Электрохимические технологии включают в себя: электросинтез (получение химических соединений с помощью электролиза), получение и очистку металлов (электрорафинирование), электроосаждение металлов (получение гальванических покрытий, порошков, копий и матриц), электрохимическую размерную обработку металлов и сплавов (основана на анодном растворении участков заготовки, подлежащих удалению).

Для многих процессов коррозии металлов важную роль играют электрохимические цепи. Наряду с этим широко применяется электрохимическая защита металлов.

Поскольку нет возможности описать все практические применения электрохимии, остановимся лишь на отдельных примерах.

Сухая батарея. Ранее рассмотренные гальванические элементы относятся к жидкостным. Но для практического применения более удобны сухие элементы, которые принято называть сухими батареями (набор элементов для повышения напряжения). Наиболее распространены сухие элементы, включающие в себя цинковый анод и графитовый катод. Между электродами помещается водная паста, содержащая NH₄Cl и твердый MnO₂. При работе элемента на электродах протекают полуреакции

Zn_(к) → Zn²⁺₍_p₎ + 2e^- (анод)

2NH₄⁺₍_p₎ + 2MnO_2(к) + 2е^- → Mn₂O_3(к) + 2NH_3(г) + Н₂О_(ж) (катод)

Ион Zn²⁺ частично соединяется с NH₃, образуя комплексный ион [Zn(NH₃)₄]²⁺.

Первоначальная ЭДС такого сухого элемента около 1,5 В, но она уменьшается при понижении температуры окружающего воздуха и по мере расходования запаса энергии элемента.

Существуют и другие виды сухих элементов. Например, никель-кадмиевый элемент. В нем протекают полуреакции

Cd_(к) + 2OH^-₍_p₎ → Cd(OH)_2(к) + 2e^- (анод)

NiOOH_(к) + H₂O_(ж) → Ni(OH)_2(к) + OH^-₍_p₎ (катод).

ЭДС элемента – около 1,3 В. Недостаток этого элемента – токсичность кадмия.

Аккумуляторы. В отличие от сухих гальванических элементов аккумуляторы обеспечивают обратимость процессов разряда и заряда. К аккумуляторам предъявляются особые требования: они должны иметь большую электрическую емкость при малых массе и объеме, высокий КПД. С учетом этих требований большое распространение получили свинцовые (кислотные) и никелевые (щелочные) аккумуляторы. Перспективными считаются также цинк-серебряные и никель-кадмиевые аккумуляторы, испльзуемые в основном в космической технике.

Свинцовый аккумулятор. Его электроды представляют собой решетчатые пластины, изготовленные из сплава свинца. Ячейки пластин заполняют губчатым металлическим свинцом (анод) и диоксидом свинца PbO₂ (катод). Электролитом является водный раствор H₂SO₄ с массовой долей 35-40 %, что соответствует плотности 1,29 г/см³.

При работе аккумулятора как источника электрической энергии (процесс разрядки) на его электродах протекают полуреакции

Pb_(к) + HSO₄^-₍_p₎ → PbSO_4(к) + Н⁺_(р) + 2е^- (анод);

PbO_2(к) + 3H⁺₍_p₎ + HSO₄^-₍_p₎ + 2e^- → PbSO_4(к) + 2H₂O_(ж) (катод).

В результате обеих реакций образуется твердое вещество – PbSO₄, которое остается в ячейках электродных пластин. На образование PbSO₄ расходуется серная кислота, и ее концентрация в электролите уменьшается, соответственно понижается и плотность электролита. Один элемент такого аккумулятора дает ЭДС около 2 В. Для получения от аккумулятора напряжения 6 или 12 В в одной коробке соединяют последовательно несколько элементов (изготовляют батарею). Зарядку аккумулятора проводят за счет внешнего источника электрического тока. Для каждого элемента аккумулятора необходима внешняя ЭДС около 2,5 В. При зарядке аккумулятора полуреакции на его электродах идут в обратном направлении по сравнению с процессом разрядки. В частности, на аноде будет протекать полуреакция

PbSO_4(к) + 2H₂O_(ж) → PbO_2(к) + 3H⁺₍_p₎ + HSO₄^-₍_p₎ + 2e^-.

Высокое перенапряжение при выделении О₂ на свинцовом аноде препятствует разложению воды. Но в небольшой степени разложение воды происходит, что требует корректировки электролита, как по концентрации, так и по объему. В настоящее время разработаны свинцовые аккумуляторы, практически полностью исключающие процесс разложения воды. Электроды для них изготавливают из сплава свинца, содержащего добавку металлического кальция.

Недостаток свинцовых аккумуляторов – их большой вес.

Примером щелочного аккумулятора является никель-кадмиевый элемент. Материалы электродов: анод – металлический кадмий, катод – гидроксид никеля (III) на металлическом никеле. Электролит – КОН. При разрядке аккумулятора на его электродах идут полуреакции

Cd_(к) + 2OH^-₍_p₎ → Cd(OH)_2(к) + 2e^- (анод);

NiOOH_(к) + H₂O_(ж) → Ni(OH)_2(к) + OH^-₍_p₎ (катод).

Продукты реакции остаются закрепленными на электродах, и обе полуреакции полностью обратимы. При зарядке аккумулятора они идут в обратном направлении. Напряжение одного элемента – около 1,3 В.

Щелочные аккумуляторы обычно используются для изготовления малогабаритных источников электрической энергии.

К этому типу аккумуляторов относятся также железоникелевые элементы.

Топливные элементы – это элементы, в которых окислительно-восстановительная реакция непрерывно обеспечивается подачей реагентов, расходующихся в электродных процессах. Одновременно непрерывно удаляются продукты полуреакций. Например, окислительно-восстановительная реакция

Н_2(г) + 1/2О_2(г) → Н₂О_(ж) (∆G = -237,2 кДж)

характеризуется большой величиной молярной свободной энергии.

Ее можно использовать в режиме горения водорода в кислороде (∆Н⁰ = -285,9 кДж). Однако полезная работа такого процесса не превышает 35 – 40 %, и нет обоснованной перспективы повышения ее эффективности (выводы по результатам анализа технической термодинамики). Не менее 50 % составляют потери энергии при преобразовании тепловой энергии в механическую и далее в электрическую. В топливном элементе идет прямое преобразование химической энергии в электрическую, и его КПД принципиально может достигать 75 %.

В топливном элементе реакции окисления Н₂ и восстановления О₂ осуществляются раздельно, на разных электродах:

2Н_2(г) + 4ОН^-_(г) → 4Н₂О_(ж) + 4е^- (анод)

О_2(г) + 2Н₂О_(ж) + 4е^- → 4ОН^-_(р) (катод)