Аккумуляторы — это устройства, являющиеся вторичными химическими источниками электрической энергии. Они характеризуются обратимостью, т. е. после разрядки могут быть приведены в исходноесостояние пропусканием через них электрического тока от внешнего источника (зарядка аккумулятора). Аккумуляторы применяются для приведения в движение электрокар, шахтных электровозов, подводных лодок, для обслуживания самолетов, аэродромов и беспилотных управляемых объектов, для запуска двигателей автомобилей, самолётов и т. д. Свинцовый аккумулятор состоит из двух перфорированных (тонких решетчатых, сотообразных) свинцовых пластин, одна из которых (отрицательная) после зарядки заполнена губчатым металлическим свинцом, а другая (положительная) — двуокисью свинца (рис. 7). Обе пластины находятся в 25—30%-ном растворе серной кислоты. Вначале, перед зарядкой, в свинцовые пластины электродов вмазывается паста, содержащая, помимо органического связующего, окись свинца.
В результате взаимодействия окиси свинца с серной кислотой на электродных пластинах образуется сульфат свинца
|
|
РbО + Н2S04 = РbSО4 + Н2О
Процесс зарядки аккумулятора может быть представлен следующими уравнениями реакций для катодной и анодной пластин:
на катоде РbSО4+2е-=Рb+SO42- с образованием губчатого свинца;
на аноде РbSО4 + 2Н2О – 2е- = Рb + 4Н+ + SО42
Суммарно химическую реакцию, протекающую при зарядке аккумулятора, можно выразить следующим уравнением:
2РbSО4 + 2Н2О = Рb + РbО2 + 2Н2SО4
Процесс разрядки.
На катоде Рb + SO42- =PbSO4+2e- (Е02)
или Pb = Pb2+ + 2e-
на аноде PbO2+2H2SO4 = Pb(SO4)2+2H2O
Рb(SO4)2 + 2e- = 2PbSO4 +2H2O (Е01)
или Pb4++2e-=Pb2+
или
Процессы, протекающие при разрядке и зарядке аккумулятора, суммарно могут быть представлены:
разрядка
Рb + РbО2 + 2Н2SО4 = 2Рb SO4 + 2Н2О
зарядка
Очевидно, что при зарядке аккумулятора концентрация серной: кислоты в нём увеличивается, а при разрядке уменьшается. Зарядку и разрядку можно повторять много раз; поэтому аккумуляторы могут находиться в эксплуатации продолжительное время.
ЭДС аккумулятора=Е01 - Е02 = 1,68-(-0,36) = 2,04 в
(значения стандартных потенциалов электродов взяты из табл. 45). В действительности значение ЭДС аккумулятора несколько отличается
от 2,04 в, так как концентрации ионов Рb2+ и Рb4+ в растворе не отвечают стандартным условиям.
Помимо свинцового аккумулятора в практике находят применение никелево-кадмиевый, никелево-железный и серебряно-цинковый аккумуляторы.
Топливный элемент. Гальванические элементы и аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии. Особого типа химическим источником электрической энергии является так называемый топливный элемент. Принципиальная схема топливного элемента может быть дана в следующем виде:
|
|
С | электролит | О2 | неактивный электрод
Теоретически ЭДС этого элемента определяется теплотой горения угля по реакции С+О2=СО2 и должна составлять 1,05 в. В топливном элементе вся тепловая энергия должна превращаться в электрическую, т. е. топливный элемент должен иметь коэффициент полезного действия (к. п. д.), близкий к 100%. В настоящее время во многих странах мира разрабатываются электрохимические схемы и конструкции топливного элемента. Исследуется возможность применения в топливном элементе в качестве горючего не только угля, но и различных горючих газов (водород, окись углерода).