Химические источники тока

В предыдущем разделе был рассмотрен гальванический элемент (первичный элемент) – источник тока одноразового действия, который после расходования реагентов, например, растворения цинкового электрода, становится неработоспособным.

Вторичные элементы - аккумуляторы можно использовать многократно, так как при пропускании постоянного тока от внешнего источника происходит регенерация израсходованных реагентов (зарядка аккумулятора). Примером вторичного источника тока является свинцово-кислотный аккумулятор. Он состоит из положительных и отрицательных электродов и электролита. Электродами служат свинцовые решетки заполненные, пероксидом свинца (PbO₂) - положительные электроды, или губчатым свинцом (Pb) - отрицательные электроды Электроды погружены в электролит, состоящий из 30%-ной серной кислоты.

При разрядке аккумулятора химическая энергия превращается в электрическую, при этом свинцовый электрод является анодом, а электрод из PbO₂ – катодом. Электродные процессы выражаются уравнениями:

Катод PbO₂ (+): PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄^2– +2ē → PbSO₄ + 2H₂O,

Анод Pb (–): Pb + SO₄^2– –2ē → PbSO₄.

При зарядке аккумулятора на катоде, который соединен с отрицательным полюсом источника постоянного тока, ионы Pb²⁺ (из PbSO₄) присоединяют по два электрона, восстанавливаясь до металлического свинца, а на аноде – отдают по два электрона, окисляясь до PbO₂. Таким образом, при зарядке аккумулятора электрическая энергия превращается в химическую. Протекающие при этом химические процессы выражаются ионными уравнениями:

Катод (–): PbSO₄ +2ē → Pb⁰ + SO₄^2–,

Анод (+): PbSO₄ + 2H₂O –1ē → PbO₂ + SO₄^2– + 4H⁺.

Суммируя эти одновременно протекающие процессы, получим уравнение химической реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:

2PbSO₄ + 2H₂O → Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄^2–.

Схема гальванического элемента: (–) Pb | H₂SO₄ || PbO₂ (+).

ЭДС = 1,68 – (–0,36) = +2,04 В.

Топливные элементы – химические источники тока, способные непрерывно работать в течение длительного времени, пока к электродам подводятся реагенты.

В топливных элементах токообразующей реакцией является окисление водорода:

А(–): H₂ –2ē → 2H⁺,

K(+): О₂ + 4Н⁺ +4ē → 2H₂O.

Топливные элементы различаются устройством электродов, и составом электролита. Так твердотопливный элемент имеет пористые катод и анод, активированные платиновыми металлами, и электролит - керамический материал, проводящий ионы O^2–, обычно – ZrO₂, легированный Y₂O₃.

Рис. 9.3.Схема твердотопливного элемента

Роль электролита в различных керамических матрицах могут выполнять карбонаты щелочных металлов, фосфорная кислота, гидроксид калия. В топливном элементе с протонпроводящей мембраной роль электролита играет полимерная, проводящая ионы водорода мембрана.

Широта применения топливных элементов определяется их КПД (от 40 до 80%), небольшими габаритами, высокой экономичностью. Они используются как небольшие стационарные источники тока, применяются на транспорте, в космических аппаратах, в больницах и аэропортах, как резервные.

Коррозия металлов

Разрушение металлов и сплавов под действием факторов окружающей среды называется коррозией. В свободном состоянии большинство металлов являются термодинамически неустойчивыми, хотя металл служит примером прочного материала.

Большинство металлов, кроме благородных, в природе встречаются в виде химических соединений, в которых они находятся в ионном состоянии. Восстановление металлов из их природных соединений связано с затратой энергии. В процессе коррозии металл переходит в окисленное (ионное) состояние, при этом теряет присущие ему металлические свойства. Разрушение металлов является самопроизвольным процессом и протекает с уменьшением энергии Гиббса. Коррозия наносит огромный экономический ущерб. Поэтому борьба с коррозией является актуальной задачей науки. Для ее решения изучаются причины возникновения коррозии, механизмы ее протекания, и на этой основе разрабатываются эффективные методы защиты металлов и конструкций от коррозии.

В зависимости от механизма коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.