Химические источники тока

Химические источники тока (ХИТ) – это системы для непосредственного превращения химической энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую. В настоящее время существует очень большое число типов ХИТ: гальванические, комбинированные, резервные, топливные элементы, аккумуляторы. Основной окислительной особенностью аккумуляторов является то, что реакции, протекающие в них, являются обратимыми, поэтому их можно заряжать и использовать ни один раз. Условное обозначение ХИТ:

(а)/ электролит // электролит/ (к)

или (а)/электролит/(к),

где (а)- материал анода (электрода, на котором идёт процесс окисления);

(к)- материал катода (электрода, на котором идёт процесс восстановления);

/- поверхность раздела электролит- раствор или расплав электролита;

//- Поверхности раздела пространственно удалены друг от друга. При работе источников тока в них протекают достаточно сложные, многостадийные процессы. Условия, необходимые для получения электрического тока в ХИТ:

· ХИТ должен содержать два электрода с различными потенциалами;

· Процессы окисления и восстановления должны быть пространственно разделены;

· Внешняя и внутренняя цепь должны быть замкнуты.

Далее будут рассмотрены примеры только гальванических элементов.

Пример1. Схема гальванического элемента:

Zn / ZnSO₄ // H₂SO₄ / H₂ (Pt).

Слева – цинковый электрод, погруженный в раствор сульфата цинка, справа – стандартный водородный электрод (платиновая пластина в растворе серной кислоты). Условия работы гальванического элемента будем считать стандартными, т.е. потенциал электрода из цинка E⁰Zn²⁺/Zn = -0.76 В,
потенциал водородного (платинового) электрода Е⁰Н⁺/Н₂ = 0 В.
Условие самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции – E_Ox > E_Red, следовательно, на правом электроде будет идти полуреакция восстановления (платина – катод), а на левом – окисления (цинк – анод):

· Анодный процесс - Zn – 2ē → Zn²⁺;

· Катодный процесс - 2Н⁺ + 2ē → Н₂.

Ионное и молекулярное уравнение реакции, на которой основана работа гальванического элемента:

Zn + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂; Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂.

Электроны, отдаваемые цинком, по внешней цепи перемещаются к катоду, а в противоположном направлении, по внутренней цепи, перемещаются отрицательно заряженные ионы SO₄^2-:

ЭДС любого ХИТ рассчитывается как разность
Е_катода - Е_анода= 0 - (-0.76) = 0.76 В. Значение ЭДС должно быть больше нуля.

Пример 2. Схема гальванического элемента:

Al / Al₂(SO₄)₃ 0.005 М // KClO₃; KCl; H₂SO₄ / (C).

Слева – алюминиевый электрод, погруженный в раствор сульфата алюминия с концентрацией 0.005 моль/л (при обозначении молярной концентрации обозначение размерности моль/л часто заменяют буквой М), справа – графитовый электрод в растворе двух солей при стандартных условиях. Потенциал алюминиевого электрода необходимо рассчитать по уравнению (37):

В условиях указана концентрация соли, ионы алюминия образуются при ее диссоциации:

Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄^2-,

поэтому [Al³⁺] = 2 · 0.005 = 0.01 M.

Таким образом,

Потенциал графитового электрода равен стандартному потенциалу окислительно­­-восстановительной пары ClO₃^-/Cl^-:
Е⁰ClO₃^-/Cl^- = 1,45 В

Е⁰ClO₃^-/Cl^- > Е⁰Al³⁺/Al, т.е в левом полуэлементе находится восстановитель (идет полуреакция окисления, алюминий – анод):

Ионное и молекулярное уравнение реакции:

2Al + ClO₃^- + 6Н⁺ → 2Al³⁺ + Cl^- + 3Н₂О

2Al + KClO₃ +3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + KCl + Н₂О

Условная схема работы гальванического элемента:

ЭДС = 1.45 В – (-1.70) = 3.15 В

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: