Химические источники тока

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

РОССИЙСКАЯ  ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

ИМ. Г. В. ПЛЕХАНОВА.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доклад

 

Тема: Химические источники  тока.

 

 

 

 

 

                                                                        Выполнил  студент:

                                                                  факультета дистанционного обучения

                                                                     

 

 

Научный руководитель:

 

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА

2013 г.

 

Взгляните на свой сотовый телефон, КПК или ноутбук: благодаря стремительному технологическому прогрессу стали широкодоступными устройства, которые еще десять-пятнадцать лет можно было увидеть лишь в фантастических фильмах. И среди этого расцветшего буйным цветом хайтека совершеннейшим анахронизмом представляется обычная батарейка. Подумать только, принципы, лежащие в основе всех современных элементов питания были открыты даже не в прошлом веке, а гораздо раньше. И с тех пор они претерпели не столь большие изменения, которые в основном заключались в уменьшении размеров и применении более совершенных материалов.

Автономные (переносные) химические источники  тока подразделяются на первичные (гальванические элементы) и вторичные (аккумуляторы). Первичные источники после их истощения не заряжаются, а выбрасываются. Не удивительно, что их стоимость значительно ниже, чем у аккумуляторов, которые служат, например, в мобильных телефонах. Однако принцип действия у них один – окислительно-восстановительная химическая реакция, при которой электр0оны, переходящие от восстановителя к окислителю, и есть электрический ток.

До изобретения гальванических элементов единственным источником электричества были электрические  электростатические машины. В этих машинах электрический заряд  возникает за счет трения. Затем появились индукционные машины, в которых заряды появлялись на вращающихся в противоположные стороны стеклянных дисках и накапливались на двух металлических шарах – разрядниках (такие машины можно увидеть и в школьном кабинете физики). В 1745–1746 немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук, работавшие в городе Лейдене, создали простой прибор, позволяющий сохранять электрический заряд, полученный от электростатической машины. Это был прообраз современных конденсаторов, который назвали лейденской банкой.

Созданию постоянных источников тока содействовало открытие, сделанное в конце XVIII в. итальянским  профессором анатомии Луиджи Гальвани. Гальвани препарировал лягушку, а неподалеку стояла электростатическая машина. Когда острие скальпеля коснулось бедренных нервов, то, как писал Гальвани, «немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги». Помощник Гальвани заметил, что в этот самый момент между полюсами машины проскочила искра.

Такие же результаты были впоследствии получены и на других животных и не только холоднокровных. Электрическую машину в опыте с лягушкой вполне мог заменить разряд в лейденской банке и, как впоследствии выяснилось, атмосферный разряд – молния.

Однако в некоторых  опытах лягушачьи мышцы сокращались  без всяких видимых причин: ни грозы, ни электрической машины поблизости не было. Оказалось, что это происходит в тех случаях, когда мышца и нерв соединены металлической проволокой, и особенно сильно – если эта проволока составлена из двух разных металлов; сильнее других действовала пара железо-серебро.

Раскрыть природу открытого  Гальвани явления удалось итальянскому физику Алессандро Вольта. В начале он вообще не поверил Гальвани, но, повторив его опыты, убедился в том, что явление действительно существует. Однако опыты с проволокой он объяснил совершенно иначе: электричество возникает при контакте разных металлов, а лягушка – это просто очень чувствительный прибор для измерения и к образованию электричества как такового отношения не имеет. Опытным путем Вольта расположил металлы в ряд таким образом, что чем дальше друг от друга отстоят они в этом ряду, тем более сильный эффект производят. Химики с удивлением обнаружили, что в таком же порядке изменяется и химическая активность металлов. В настоящее время этот ряд называется рядом напряжений или, точнее, рядом электродных потенциалов. В основных чертах он имеет вид: Li...Mg...Zn...Fe...Sn...H...Cu...Ag...Au.

Вольта, помимо лягушки, использовал и другие способы  измерения, например, собственный язык: он клал на него золотую или серебряную монету, а под язык – медную. Как только две монеты соединяли кусочком проволоки, сразу же во рту ощущался кислый вкус, знакомый каждому, кто пробовал «на язык» контакты батарейки. Чтобы усилить эффект, Вольта соединял пары металлов последовательно, так что получилась цепочка, названная по имени изобретателя «вольтовым столбом». Сначала это были чашечки с раствором кислоты, в которую были опущены металлические полоски, затем – кружочки из цинка и меди (или серебра), разделенные прокладками из бумаги или ткани, которые были пропитаны раствором щелочи или просто рассолом.

Введение в электрическую  цепь растворов (Вольта назвал их проводниками второго рода в отличие от металлов – проводников первого рода) оказалось решающим в изобретении Вольта. В память о Гальвани, умершем в 1798, Вольта назвал свои элементы гальваническими.

В 1802 русский физик-самоучка Василий Владимирович Петров создал батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых пластин. Между металлическими кружками диаметром около 4 см прокладывались картонные кружки, пропитанные раствором хлорида аммония. «Столб Петрова», в отличие от вольтова столба, располагался горизонтально в сухих узких деревянных ящичках. Вся батарея была составлена из четырех рядов, каждый длиной около 3 м, соединенных последовательно медными скобками. О трудоемкости работы с этой батареей свидетельствует такой факт: чтобы очистить только 40 пластин после их окисления помощнику Петрова требовалось не менее часа! Теоретически такая батарея может давать напряжение до 2500 В. С помощью этой гигантской батареи Петров провел множество опытов: он разлагал различные вещества, в том числе органические, а также оксиды металлов – ртути, свинца и олова. В 1803 Петров впервые в мире получил электрическую дугу и указал на возможность ее практического применения; так, с ее помощью ему удалось расплавить металлы, ярко освещать большие помещения.

В течение XIX в. трудами  физиков и химиков была заложена теория работы гальванических элементов; основная заслуга в этом принадлежит немецкому физикохимику Вальтеру Нернсту. Конструкция элементов также была значительно усовершенствована. Главный итог работы теоретиков таков: в гальваническом элементе происходит прямое превращение химической энергии в электрическую. Для этого в элементе должна протекать окислительно-восстановительная реакция, например, растворение цинка в кислой среде:   Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂

Атомы цинка (восстановители) отдают электроны: Zn – 2e ® Zn²⁺, а ионы водорода (окислители) их принимают:   2H⁺ + 2e ® H₂.

В гальваническом элементе процессы окисления и восстановления пространственно  разделены: водород должен выделяться не на цинке, а на меди. Тогда электроны  от цинка к меди будут переходить не непосредственно в растворе (в  этом случае они теряются без пользы), а через внешнюю цепь, где могут совершать полезную работу. Именно так работает элемент Вольта.

Ток в элементе снимается с помощью  двух электродов. В соответствии с  принятой номенклатурой, на одном из них – аноде протекает процесс окисления, а на катоде идет восстановление. Поэтому цинковый электрод гальванического элемента – это анод, а медный – катод (при электролизе солей цинка он выделяется на катоде, так как при этом цинк не окисляется, а восстанавливается: Zn²⁺ + 2e ® Zn; аналогично при электролизе с медным анодом медь окисляется: Cu – 2e ® Cu²⁺, так что определение катода и анода остается в силе)

Действие гальванического элемента прекращается после полного или  частичного израсходования какого-либо электрода (например, цинка). Так как протекающая в элементе химическая реакция необратима, его нельзя снова «зарядить».

Значительно усовершенствовал гальванический элемент и сделал его удобным  для практического использования  французский инженер Жорж Лекланше в 1867. В качестве деполяризатора он использовал диоксид марганца, который на катоде восстанавливается, препятствуя выделению газообразного водорода: MnO₂ + 4H⁺ + 2e ® Mn²⁺ + 2H₂O. Вначале электролитом служил водный раствор хлорида аммония; затем Лекланше стал использовать электролит, загущенный клейстером. Это революционным образом изменило дело: «сухие» элементы Лекланше перестали бояться случайного опрокидывания, их можно было использовать в любом положении. Изобретение Лекланше имело немедленный коммерческий успех, а сам изобретатель, забросив свою основную профессию, открыл фабрику по производству элементов.

В настоящее время элементы Лекланше – самые дешевые, и выпускаются миллиардами. Этому способствует доступность и дешевизна сырья: цинк дешевле меди, а MnO₂ – самое распространенное соединение марганца в природе (минерал пиролюзит). Богатые залежи этой руды имеются в Африке, Бразилии, Мексике. Активная катодная смесь элементов Лекланше, которая окружает угольный катод, прессуется из диоксида марганца и графита с добавкой электролита. Цинковые аноды вначале делали из сплава, содержащего свинец, кадмий и довольно много (до 8%) ртути. Сейчас содержание ртути сведено к минимуму, а во многих элементах ртути нет вовсе (на них обозначено «mercury free»).

В щелочных элементах (их массовое производство началось в 1950-е) электролитом служит цинкат калия K₂Zn(OH)₄ в концентрированном растворе КОН; при этом на катоде идет реакция MnO₂ + H₂O + e ® MnOOH + OH^–. В щелочных элементах (на них значится «alkaline») анод состоит из мелких цинковых гранул в геле электролита, помещенных в стаканчик-сепаратор. Он касается внутренней стенки наружного стального цилиндра.

Если химический источник тока сделан качественно и не совершает работы (не включен ни в какую электрическую цепь), то напряжение на нем может не меняться буквально веками. Так, электрический звонок, хранящийся в музее физических приборов Кларендонской физической лаборатории в Оксфорде, без всякой подзарядки или смены батареи, исправно (и непрерывно) работает от батареи гальванических элементов уже свыше полутора веков!

В отличие от гальванических элементов, в аккумуляторе (название происходит от латинского слова, означающего  «накоплять», «собирать») используются обратимые химические реакции. Так, при разряде самого распространенного свинцового аккумулятора (их мировое производство превышает 100 млн. в год) идет реакция:  
PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ® 2PbSO₄ + 2H₂O; в никель-кадмиевом:   
2NiOOH + Cd ® 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ (аналогичная реакция идет в никель - железном аккумуляторе); в серебряно-цинковом Ag₂O + Zn ® ZnO + 2Ag; при заряде все эти реакции идут в обратном направлении. Поэтому аккумулятор можно заряжать с помощью внешнего источника тока. Аккумуляторы (например, для радио или мобильного телефона) заметно дороже гальванических элементов.

Аккумуляторы дают примерно такое  же напряжение, как и гальванические элементы. Так, самый распространенный кислотный свинцовый аккумулятор  дает около 2 В, щелочной никель-кадмиевый  – около 1,3 вольт, а никель-железный – около 1,4 вольт. Такого напряжения вполне достаточно для работы кварцевых часов, но уже лампочка для карманного фонаря гореть от одного аккумулятора не будет. Поэтому, как и гальванические элементы, аккумуляторы для повышения напряжения соединяют в батареи. Для питания диктофона, плеера или фотоаппарата достаточно двух соединенных последовательно аккумуляторов. На автомобилях соединяют последовательно уже шесть свинцовых аккумуляторов; они способны кратковременно давать очень большой ток, необходимый для запуска двигателя. Гальванические элементы и батареи больших токов давать не могут. Аккумуляторы работают также на космических кораблях, в электромобилях и электрокарах, их используют для аварийного освещения.

В 1970 были начаты исследования нового типа аккумуляторов – никель-гидридных, а в 80-е годы появились первые рабочие образцы, в которых ток генерировался в результате реакции 2NiOOH + H₂ ® 2Ni(OH)₂. При заряде водород снова выделялся. Так как водород для таких аккумуляторов находится под большим давлением, блок с электродами помещают в стальной цилиндр. Эти аккумуляторы запасали на 40% больше энергии (на единицу массы), чем никель-кадмиевые. Из-за высокой стоимости (тысячи долларов каждый) эти аккумуляторы применяли, прежде всего, там, где особенно важна экономия веса, т.е. в космической технике. В последние годы разработаны миниатюрные никель-металл-гидридные аккумуляторы; в них при заряде катионы водорода в электролите восстанавливаются, атомы водорода диффундируют в металл (обычно используются интерметаллические составы) и образует гидрид. При разряде процесс идет в обратном направлении.

О потенциальных возможностях аккумуляторов  говорит такой факт. В Западном Берлине, опасаясь отключения электроэнергии властями ГДР (в 1961 году уже была предпринята  попытка задушить город блокадой), соорудили огромную аккумуляторную батарею. Эта батарея массой 630 тонн при мощности 17 мегаватт могла в случае необходимости в течение часа, до запуска аварийных электростанций, снабжать многомиллионный город электроэнергией.

Казалось бы, в мире гигагерц и нанотехнологий такое "старье", как батареи, должно отойти на задний план. Но с появлением большого количества современных мобильных устройств (плееров, фото- и видеокамер, ноутбуков и т.д.) мы наблюдаем обратную тенденцию - аккумуляторы и батарейки стали не менее важной деталью, чем процессоры. Очень много зависит именно от емкости источника питания. А без него даже самое навороченное устройство будет абсолютно бесполезно.