surse chimice

Surse de alimentare programma.Himicheskie de lucru. Galvanică celule, baterii și pile de combustie. electromotoare a celulei electrochimice. Termodinamica celulei electrochimice. Concentrarea și celule galvanice chimice. Elemente Daniel - Jacobi și Leklanshe. Baterii: plumb, fier, nichel, argint și zinc, litiu-ion.

In celulele electrochimice prin transformarea directă a energiei chimice în energie electrică. Principalele avantaje ale surselor de curent chimice sunt autonome și de înaltă eficiență, dar principalul dezavantaj - un cost foarte ridicat de energie electrică produsă.

surse de curent chimice sunt împărțite în celule galvanice, baterii si pile de combustie.

Celulele galvanice - sursa de curent chimic, în care consumul de reactiv în timpul funcționării acestuia. După epuizarea reactivilor celulei electrochimice nu mai poate fi utilizat. Funcționarea celulei electrochimice poate fi un proces chimic, sau un proces de egalizare a concentrațiilor de doi electroliți - soluții ale aceleiași substanțe. Prin această măsură celulele galvanice sunt împărțite în chimice și concentrare.

Un exemplu de celule electrochimice chimice poate fi un element de zinc-cupru, cunoscut sub numele de celula Daniell - Jacobi (ris.8.4). Se compune dintr-o placă de cupru, a redus într-o soluție de sulfat de zinc și placa de zinc, plasată într-o soluție de sulfat de zinc. Navele folosind scurt tub în formă de U umplut cu soluție de electrolit. Pe electrod de zinc se echilibrează

potențialul de reducere standard a electrodului de zinc este -0.763 V, iar cuprul este + 0,337 V. Prin urmare, atunci când un contact este la electrodul de zinc va zinc oxidare și cupru - procesul de recuperare a ionilor de cupru. electrod de zinc este încărcată negativ, iar electrodul de cupru va dobândi o sarcină pozitivă. Procesele de oxidare electrochimică sunt procese nazvanieanodnyh. iar electrodul pe care are loc oxidarea se numește anod; respectiv procesul de recuperare a numitului proces catodic. și electrodul, care se extinde de reconstituire se numește catod. Electronii ar muta de zinc la cupru, adică, de la anod la catod. anod de zinc datorită oxidării se va dizolva, iar soluția va trece ionii de zinc, ionii de cupru sunt restaurate și cupru metalic - precipitarea pe catod. Creșterea concentrației cationilor de zinc în compartimentul anodic este compensat de transfer încărcat negativ ioni sulfat la anod. Prin îndepărtarea ionilor de cupru din plumb compartiment catodic la o deficiență de cationi care ar cauza transferul de cationi de zinc și cupru la catod. Reacția chimică totală în celula este de forma

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu.

Schema celulei electrochimice Daniel - ecuația Jacobi poate fi scris după cum urmează:

Amploarea EMF celulei a fost calculată ca reducerea anozilor și catozilor Potențialele diferența:

EMF celulelor electrochimice, măsurate experimental, pot fi utilizate pentru calculul funcțiilor termodinamice ale reacțiilor redox. Schimbarea energiei Gibbs de reacție (# 916; r G) într-un mod simplu datorită CEM (# 949):

unde n - numărul de moli (echivalenți) într-un mol de substanță; F - Faraday constantă, sau în condiții standard

Dacă știți dependența de temperatură a forței electromotoare, variația de entropie a reacției poate fi găsită în relația

Schimbarea entalpia de reacție poate fi calculată cu formula (3.16)

Având în vedere că # 916; r G legat constanta de echilibru a raportului de reacție (4.14)

sau substituind R valorile și F, și trecerea la logaritmii zecimali, obținem la 298 K

Astfel, prin măsurarea experimental dependența de temperatură a celulei electromotoare, se poate obține caracteristicile termodinamice ale reacției care apar în celulă.

Exemplul 8.10. Echilibrul constant pentru reacția are loc în celulă (-) Znú Zn2 + úú CD ú Cd 2+ (+). egală cu 2,022 × 10 5. Se determină potențialul de electrod de cadmiu, când potențialul de electrod de zinc este egal cu - 0,789 B.

Decizie. Această reacție are loc celule electrochimice

Cd 2+ + Zn Û Zn 2+ + Cd. constant Equilibrium între reacția are loc în celulă și forța electromotoare a celulei există o relație

celule uscate (elementul Leklanshe) sau un element de mangan-zinc (ris.8.5) este în prezent unul dintre elementele cele mai comune utilizate pentru a alimenta o varietate de dispozitive portabile. Zincul vasul 1 este un anod, iar electrodul de grafit 2 - catod. Catodul este plasat într-un amestec comprimat de grafit și

Zn - 2e - → Zn2 +.

Ionii de zinc reacționează cu NH4Cl:

Ionii de hidrogen descărcare la catod:

hidrogen Nascent acoperă filmul subțire (polarizante) un catod de grafit, care poate duce la întreruperea circuitului electric. dioxid de mangan (IV) actioneaza ca un depolarizer, care leagă hidrogenul molecular:

Element de conducere: MnO2. C | NH4Cl | Zn.

EDS este elementul

1,5 B. Principalul avantaj este un element de cost redus.

Elementele de concentrare constau din aceleași electrozi metalici sau gaze coborâte în electroliți de activitate diferită (concentrație), de exemplu:

în cazul în care a1 <а2. При работе концентрационного элемента равные количества водорода или цинка переходят в раствор на аноде и выделяются из раствора на катоде. Одновременно концентрация ионов в анодном пространстве возрастает, а в катодном – уменьшается. Процесс будет проходить до выравнивания активностей ионов в катодном и анодном пространстве. ЭДС концентрационного элемента может быть найдена по соотношению

Bateriile diferitelor celule galvanice în care, după epuizarea performanțelor reactivilor bateriei poate fi recuperată prin trecerea unui curent într-o direcție opusă direcției curentului în timpul funcționării. Procesul de generare a energiei electrice este numit proces de recuperare de descărcare și performanța bateriei - taxa. Când descărcarea energiei chimice este transformată în energie electrică, iar în timpul încărcării - chimic electric. Baterie - o reutilizabil celule galvanice.

Cele mai frecvente sunt bateriile cu plumb acid curent, de asemenea, cunoscut sub numele de acid. electrozii bateriei acide sunt grile de plumb umplute cu pasta de oxid de plumb (IV). Electrozii au fost plasate într-o soluție de acid sulfuric, cu o concentrație de 32-39%, și separate unul de altul prin separatoare poroase. Atunci când se lucrează la baterie electrozi următoarele reacții:

În cazul în care taxa de reacție curge înapoi. Procesul global în baterii cu plumb acid pot fi reprezentate după cum urmează:

EMF este o baterie de plumb

Principalele avantaje ale unei baterii de plumb sunt low-cost și eficiență ridicată, principalul dezavantaj - o masă mare pe unitate de capacitate, precum și o durată de viață relativ scurtă - 200 - 500 de cicluri de încărcare-descărcare de gestiune.

Nichel-fier baterie. Anodul este realizat din fier spongios, catodul este o grilă de nichel umplut cu o pastă de hidroxid de nichel (III) NiOOH și grafit. Electrolitul este o soluție 20% de hidroxid de potasiu de descărcare KON.Pri După reacții apar la electrozi:

Anod: Fe + 2OH - -2E - → Fe (OH) 2;

catod: NiOOH + H2O + e - → Ni (OH) 2 + OH -.

procese totale în bateria nichel-fier în timpul descărcării și încărcare pot fi reprezentate după cum urmează:

EMF baterie nichel-fier este

1,2 B. Principalele avantaje ale bateriei nichel-fier pe viață sunt ridicate - până la 1000-3000 cicluri de incarcare-descarcare si greutate relativ mică per unitate de capacitate, principalul dezavantaj - eficiență scăzută și tensiunea de funcționare redusă.

Silver-oxid baterie. Anodul este format din zinc catod poros - din oxid de argint (I) Ag2- O, obținut prin oxidarea argintului metalic. Electrolitul folosit în soluție KOH 40%. La externare, au loc următoarele reacții:

Anod: Zn + 2OH - - 2e - → Zn (OH) 2,

catod: AG2 O + H2O + 2e - → 2AG + 2OH -.

încărcare totală și a proceselor de descărcare este după cum urmează:

EMF acumulator de argint-oxid este

1,6 B. Principalele avantaje ale bateriei de argint-zinc sunt o capacitate relativ ridicată și putere mare pe unitate de greutate și volum, principalele dezavantaje - costuri ridicate și viață scurtă - -100 20 cicluri de incarcare-descarcare.

anod: LiCoO2 - xe - → Li1-xCoO2 + XLI +;

catod: Cu + XLI + + xe - → CLih.

În timpul bateriei privind transferul ionilor de litiu de la un electrod la altul.

Principalele dezavantaje ale bateriilor litiu-ion sunt eșec complet în timpul descărcării profunde și îmbătrânire relativ rapidă, ceea ce duce la pierderea de putere.

EMF bateriei litiu-ion este de 3,6 V, durata de viață de până la 20%, pierderea capacității - 500-1000 cicluri de incarcare-descarcare.

polimer baterie cu litiu (Li-pol sau Li-polimer) este mai avansat de proiectare baterie litiu-ion. În inima bateriei litiu-polimer este fenomenul de transfer al anumitor polimeri, de exemplu, polietilenă, la starea de semiconductoare introducerea ionilor de litiu ale acestora. Baterie de polimer special de putere litiu capabilă să dea un curent de 10 sau chiar de 20 de ori valoarea numerică a capacitatii.

Cea mai promițătoare este utilizarea de baterii în vehicule electrice. Principalele probleme constau în costul relativ ridicat al bateriilor nu este suficient de viață lungă și o scădere bruscă a capacității la temperaturi sub zero.

Celulele de combustie - celule electrochimice este necesară în procesul fluxului oxidantului și agentul reducător alimentat din exterior. Ca agent de reducere poate fi utilizat, hidrogen, gaz natural, metanol, etc., Ca oxigenul din aer oxidant utilizat în mod obișnuit. aplicarea practică Vizibile de pile de combustie nu se găsesc.

Întrebări și sarcini pentru auto-studiu

1. Se calculează CEM Cd celule | Cd 2+ (0,8m) || (0,01M) Cu 2+ | Cu.

2. Se calculează Pb emf de celule | Pb 2+ (0,02M) || (0,1M) Zn 2+ | Zn.

3. Se calculează electromotoare din concentrația celulei electrochimice formată din electrozi de zinc coborâte în soluții de sulfat de zinc având o concentrație de 0,02 M și, respectiv 0,0032M.

4. Se calculează tensiunea electromotoare a concentrației celulei: Ag | Ag + (0,001M) || (0,1M) Ag + | Ag.

5. Descrieti element de dispozitiv Daniel Jacobi și procesele care au loc în timpul funcționării sale.

6. Descrie Leklanshe aparat elementul și procesele care au loc în timpul funcționării sale.

7. Care este diferența dintre concentrația celulelor bateriei chimice? Dă un exemplu al celulei de concentrare.

8. Descrieți aparatele baterii plumb și procese care au loc în timpul funcționării sale. Avantaje și dezavantaje ale unei baterii de plumb.

9. Descrieți dispozitivul baterie și procesele care au loc în timpul funcționării sale nichel-fier. Avantaje și dezavantaje ale bateriei nichel-fier.

10. Descrie dispozitiv baterie și procesele care au loc în timpul funcționării sale de argint-oxid. Avantaje și dezavantaje ale bateriei de argint-oxid.

11. Descrie dispozitivul bateriei litiu-ion și procesele care au loc în timpul funcționării sale. Avantaje și dezavantaje ale bateriei litiu-ion.