ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Химические источники электрической энергии из "Общая химия Издание 18" В рассматриваемом примере обе полуреакции протекают в ме сте соприкосновения цинка с раствором, так что электроны непо средственно переходят от атомов цинка к ионам меди. Можно, однако, осуществить эту реакцию таким способом, что окислительная и восстановительная полуреакции окажутся пространственно разделенными, а электроны будут переходить от восстановителя к окислителю не непосредственно, а по проводнику электрического тока — по внешней цепи. Этот направленный поток электронов представляет собою электрический ток. При таком осуществлении окислительно-восстановительной реакции ее энергия будет превращена в электрическую энергию, которую можно использовать, включая во внешнюю цепь соответствующие приборы. [c.270] Устройства, которые применяют для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую энергию, называют химическими источниками электрической энергии (сокращенно ХИЭЭ), или гальваническими элементами. [c.270] Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух металлических электродов, погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительновосстановительной реакции окисление протекает на одном электроде, а восстановление — на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи. [c.270] Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакции. Таким образом, при работе гальванического элемента электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов. [c.271] Направление движения ионов в растворе обусловлено протекающими у электродов электрохимическими процессами. Как уже сказано, у цинкового электрода катионы выходят в раствор, создавая в нем избыточный положительный заряд, а у медного электрода раствор, наоборот, все время обедняется катионами, так что здесь раствор заряжается отрицательно. В результате этого создается электрическое поле, в котором катионы, находящиеся в растворе (Си и 2п ), движутся от цинкового электрода к медному, а анионы — 804 — в обратном направлении. В итоге жидкость у обоих электродов остается электронейтральной. Схема движения электронов и ионов при работе медно-цинкового элемента, показана на рис. 84. [c.271] Электрический ток, протекающий по внешней цепи гальванического элемента, может производить полезную работу. Но работа, которую можно выполнить за с ет энергии химической реакции, зависит от ее скорости она максимальна при бесконечно медленном — обратимом — проведении реакции (см. 67). Следовательно, работа, которую можно произвести за счет реакции, протекающей в гальваническом элементе, зависит от величины отбираемого от него тока. Если, увеличивая сопротивление внешней цепи, уменьшать ток до бесконечно малого значения, то и скорость реакции в элементе тоже будет бесконечно малой, а работа — максималь-йой. Теплота, выделяемая во внутренней цепи элемента, будет при этом, наоборот, минимальна. [c.272] Измерения электродвижущих сил можно производить с высокой точностью. Эти измерения представляют собой один из наиболее точных методов определения стандартных изобарных потенциалов, а следовательно, и констант равновесия окислительно-восстановительных реакций в растворах. [c.273] При этом металлический электрод оказывается заряженным отрицательно, а раствор — положительно. Если при установлении контакта металл — раствор скорость перехода катионов из металла в раствор была меньше, чем скорость их перехода в обратном направлении, то между электродом и раствором также устанавливается равновесие но в этом случае электрод заряжается положительно, а раствор — отрицательно. [c.274] Таким образом, при разомкнутой цепи на трех имеющихся в элементе Якоби— Даниэля границах раздела фаз устанавливаются равновесия, причем фазы заряжаются. В результате энергетическое состояние электронов на концах разомкнутой цепи оказывается неодинаковым на том медном проводнике, который соприкасается с цинковым электродом, изобарный потенциал электронов выще, а на том, который соединен с медным электродом — ниже. Разность изобарных потенциалов электронов на концах цепи и определяет э. д. с. данного элемента. [c.275] При замыкании внещней цепи электроны перемещаются от цинкового электрода к медному. При этом заряды фаз, отвечающие равновесиям на границах их раздела, изменяются. Поэтому равновесия на фазовых границах нарушаются происходит направленный переход ионов цинка металла в раствор, ионов меди — из раствора в металл, электронов — от цинка к меди протекает окислительновосстановительная реакция. [c.275] В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительновосстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами (высокая и практически постоянная э.д.с., возможность отбирания больших токов, длительная сохранность и др.). Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ. [c.275] В отличие от медно-цинкового элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит такие источники тока значительно удобнее в эксплуатации. [c.275] Почти во всех выпускаемых в настоящее время гальванических элементах анод изготовляется из цинка, а в качестве вещества для катода обычно применяются оксиды менее активных металлов. Описание важнейших гальванических элементов см. 214, аккумуляторов— 189, 201, 244. [c.275] Все обычные ХИЭЭ не свободны от двух недостатков. Во-первых, стоимость веществ, необходимых для их работы (например, свинца, кадмия), высока. Во-вторых, отношение количества энергии, которую может отдать элемент, к его весу мало. На протяжении последних десятилетий ведутся исследования, направленные на создание элементов, при работе которых расходовались бы дешевые вещества с малым удельным весом, подобные идкому или газообразному топливу (природный газ, керосин, водород и др.). Такие гальванические элементы называются топливными. Проблеме топливного элемента уделяется в настоящее время большое внимание и можно полагать, что в ближайшем будущем топливные элементы найдут широкое применение. [c.276] Вернуться к основной статье