12.1 Исследование работы химического источника тока

Химические источники тока (ХИТ) представляют собой устройства, в которых химическая энергия окислительно-восстановительной реакции непосредственно превращается в электрическую. Условием работы ХИТ является разделение единого окислительно-восстановительного процесса на процесс окисления и процесс восстановления. Оба процесса протекают на различных пространственно разделенных металлах, называемых электродами. Процессы окисления протекают на аноде, восстановления – на катоде.

Электродвижущая сила гальванического элемента равна разности потенциалов катода φ_к и анода φ_а при отсутствии тока в цепи:

∆Е=φ_к–φ_а (12.4)

В процессе работы ХИТ потенциалы электродов изменяются вследствие поляризации электродов. Изменение потенциалов приводит к уменьшению эдс и препятствует нормальной работе гальванического элемента, поэтому на практике ее устраняют. Процесс уменьшения поляризации электродов называют деполяризацией, а вещества или ионы, применяемые для этой цели – деполяризаторами.

Практические работы

1. Работа гальванического элемента Якоби - Даниэля. Соберите гальванический элемент согласно схеме: Zn|ZnSO₄||CuSO₄|Cu, как на рис. 7,8. В качестве электролитов возьмите 1М раствор сульфата цинка и 1М раствор сульфата меди.

1. Зарисуйте схему работающего гальванического элемента и укажите на ней стрелками направление движения электронов и ионов.

2. Подсчитайте теоретическую величину ЭДС гальванического процесса. Сделайте вывод, является ли исследуемый элемент практически поляризующимся?

3. Закрепите в крышках стаканов с помощью универсальных клемм цинковую и медную пластинки и погрузите их в раствор.

4. Соберите схему подключением клемм электродов к вольтметру. Измерьте ЭДС, сравните с теоретическим значением. Наблюдается ли при этом выделение водорода, изменяется ли во времени ЭДС?

Рис. 7. Схема элемента Якоби-Даниэля.

Рис. 8. Установка для определения ЭДС гальванического элемента: 1–батарейные стаканы; 2–стеклянные трубки; 3–изолирующие крышки; 4–универсальные клеммы; 5 – электроды; 6–провода; 7–вольтметр; 8–гальванометр; 9–секундомер; 10–выключатель.

5. Привести установку в исходное состояние после окончания эксперимента. В лабораторный журнал запишите: а) схему гальванического элемента; б) уравнение процессов на аноде и катоде; в) суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции.

2. Рассмотрите, дайте анализ работы гальванических элементов согласно схемам:

Cu|CuSO₄||CuSO₄|Cu; Zn|ZnSO₄||ZnSO₄|Zn; Zn|Н₂SO₄|Cu,

0,001М 2М 0,001М 0,1М

варьируя концентрацию кислоты, сделайте соответствующие выводы.

3. Работа сухого элемента, в котором в качестве электролита используется гелеобразная паста, например, MnO₂, NH₄Cl и H₂O, в которую помещают угольный стержень (катод), роль анода выполняет цинковая оболочка элемента.

На аноде: Zn_(тв) – 2е = Zn²⁺_(водн.), φ = – 0,76 В

На катоде:

2MnO_2(тв)+2NH₄⁺_(водн)+2е = Mn₂O_3(тв)+2NH_3(водн)+H₂O_(ж), φ=+0,84В

Zn_(тв)+2MnO_2(тв)+2NH₄⁺_(водн.)=Zn²⁺_(водн)+Mn₂O_3(тв)+2NH_3(водн)+H₂O_(ж),

∆Е = φ_к. – φ_а. = 1,6 В

С учетом реакций гидратации, гидролиза, электролитической диссоциации, диспропорционирования:

Mn₂O₃+3H₂O→2Mn(ОН)₃, 2Mn³⁺ Mn⁴⁺+Mn²⁺

О бъясните возможность продления срока эксплуатации батарейки.

Сухие элементы являются необратимыми, их называют элементами одноразового действия. Сухие элементы используются в фотовспышках, электрических фонарях, радиоприемниках и. т.д.

Паста: водный гель хлорида аммония и двуокиси марганца. Проанализируйте устройство, работу батарейки.

Рис. 9. Схема сухого элемента.

4. Работа стандартного свинцово-кислотного аккумулятора. Свинцовый аккумулятор состоит из двух перфорированных (с многочисленными отверстиями) свинцовых пластин, одна из которых после зарядки содержит наполнитель пор – губчатый активный свинец, а другая – «зацементированный» диоксид свинца. Обе пластины погружены в 25–30% раствор H₂SO₄ (Плотность 1,25 – 1,29 г/см³). При разрядке аккумулятора идут процессы:

На аноде:

Pb_(тв) + SO₄^2-_(водн.) – 2е = PbSO_4(тв), φ=–0,36В

На катоде:

PbO_2(тв)+4Н⁺_(водн)+SO₄^2-_(водн)+2е = PbSO_4(тв)+2H₂O_(ж), φ=+1,68В

Pb_(тв) + PbO_2(тв) + 2H₂SO_4(водн.) 2PbSO_4(тв) + 2H₂O_(ж), ∆Е=2,04 В

Наличие образования труднорастворимой соли на электродах и реакции диспропорционирования:

Pb⁰ + Pb⁴⁺ 2 Pb²⁺

являются необходимым условием работы гальванического элемента как аккумулятора. Если к аккумулятору приложить внешнее напряжение, превышающее его собственное напряжение, то протекающие на электродах реакции могут пойти в обратном направлении, и можно запасти в элементе электрическую энергию. При этом процесс зарядки (электролиз) сопровождается выделением газов. Каких?

Проанализируйте устройство и работу (разряд, заряд) аккумулятора на модельной установке, состоящей из двух свинцовых пластин в растворе серной кислоты.

Рис. 10. Схема свинцового аккумулятора.