ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Назначение электрохимических элементов заключается в сС печении движения электронов во внешней цепи, в которую включена полез

грузка. Таким образом, для выполнения своей задачи топливный элемент дол­ги содержать источник и сток электронов (рис. 7.1).

Реакции, которые протекают в электрохимическом элементе, носят название ислительно-восстановительных, так как термин «окисление» соответствует цессу высвобождения электронов, а термин «восстановление» — процессу вата электронов.

Смысл многочисленных устаревших научных понятий зачастую не понятен их названия Термины «окисление» и «восстановление» требуют пояснений. С юво кислород (oxygen) происходит от латинского корня oxus (кислый или грый, резкий) и означает «производитель кислоты». Такое название впервые то использовано в работе Морво и Лавуазье «Nomenclature Chimique», опуб - кованной в 1787 г. В то время химики придерживались ошибочного убежде - я. что кислород является основным элементом, входящим в состав кислот ри растворении кислоты в воде часть входящих в ее состав атомов водорода яет свой электрон — вода становится кислой, а водород окисляется. По ана - ии любая реакция, сопряженная с процессом потери электронов, называет - окислением. Обратная реакция — реакция захвата электронов — называется ■становлением.

___________________ Поток

J электронов

Источник электронов >

(окисление)

Анод

Положи­тельное < -

направление электрического тока Рис. 7.1. Электрохимический элемент должен содержать источник и сток электронов

В электрохимической ячейке общая реакция делится на две промежуточные киии, которые протекают в раздельных областях устройства. Эти области динены посредством электролита, который является проводником ионов, но проводит электроны, высвобожденные в промежуточной реакции окисления, ктроны могут попасть в ту область, где протекает реакция восстановления, ько через внешнюю цепь. Таким образом, во внешней цепи возникает элек - ческий ток, а электрохимическая ячейка является его источником — в этом заключается ее назначение. Положительным направлением электрического а во внешней цепи условились считать направление от восстановительной окислительной области элемента — электрический ток выходит из элемента области восстановления, которая, таким образом, является катодом топлив - о элемента, и входит в область окисления, которая является анодом. Как, тюбом другом электрическом источнике, катод — это положительно заря-

женный электрод, а анод — отрицательно заряженный электрод. Когда же идет о потребителях электрической энергии (нагрузке), названия меняются противоположные. Во введении к гл. 6 термины «анод» и «катод» обсуждак более подробно.

В качестве примера электрохимической ячейки рассмотрим мембрану, полняюгцую роль электролита. Пусть одна из боковых поверхностей мемб находится в контакте с водородом. При нормальных условиях газ будет состо преимущественно из молекулярного водорода, однако небольшое количес молекул может диссоциировать на атомы

Н2 -> 2Н,

а часть атомов — окислиться (ионизироваться), т. е. потерять свой электрон

Н -> Нт + е~ .

Так как мембрана непроницаема для электронов, то они все останутс° одну ее сторону, в то время как образовавшиеся ионы посредством дифф; через мембрану окажутся по другую ее сторону. В данном случае ионы перен положительный заряд, поэтому та поверхность мембраны, на которой находи водород, станет отрицательно заряженной из-за избытка электронов, накол шихся на ней, а противоположная поверхность — положительно заряженной за положительных ионов, оказавшихся на ней вследствие диффузии. Возшп электрическое поле заставляет часть ионов двигаться в обратном направленим] «водородной» поверхности мембраны. Динамическое равновесие в рассматри емой системе устанавливается тогда, когда диффузионный поток ионов ст. і вится равным обратному току.

Теперь нанесем на обе поверхности мембраны электропроводный порош Таким образом получатся два пористых электропроводных слоя, которые дут выполнять роль электродов. Подключим к электродам внешнюю нагр1 обеспечив электрическое соединение электродов. Сопротивление нагрузки к значим Rl. Ионы не могут перемещаться во внешней цепи, а электроны начк двигаться из «водородной» части, где имеется их избыток, к противополо стороне мембраны, образуя во внешней цепи электрический ток, как пока на рис. 7.2. Реакция, представляющая для нас интерес, протекает на «водо ном» электроде и описывается уравнением

2Н2 —> 4Н+ + 4е (анодная реакция)

Описанная схема работы элемента имеет один существенный недостаток она противоречит первому закону термодинамики. Действительно, при про кании электрического тока через внешнюю нагрузку в ней выделяется теш количество которой определяется произведением I2RL. При этом электро

ишедшие в катодную область, соединяются с ионами Н+, которые продиф - - нлировали через мембрану, образуя атомы водорода Нив конечном счете енерируя молекулы газа Н2, использованного в качестве «топлива». Если бы цесс протекал согласно приведенной схеме, мы получили бы теплоту без ка - I - либо затрат топлива.

Внешняя цепь образует только путь для перемещения электронов, однако іа по себе она не может являться причиной возникновения электрического ка. Точно так же, как если опустить трубу одним концом в озеро, сама вода трубе не потечет. Для того чтобы вода потекла, нужно чтобы другой конец бы находился ниже уровня поверхности воды. Аналогично, для того чтобы ■учить во внешней цепи электрический ток, необходимо понизить потенциал рмодинамический) в катодной области. Проще всего это сделать, если под - ■ть туда кислород, молекулы которого соединяются с электронами и ионами, в результате чего образуется вода:

4е“ + 4Н+ + 02 -» 2Н20 (катодная реакция). (4)

Реакция является экзотермической, т. е. протекает с выделением преиму - ственно электрической энергии, а не тепловой, как это происходит при чгании водорода. Очевидно, что именно эта энергия и питает топливный те мент.

Описанная схема электрохимической ячейки представлена на рис. 7.2.

При нормальных условиях доля продиссопиировавших молекул водорода * лнодной области мала. Ее можно слегка увеличить, изменив физические пара-

метры в соответствии с принципом ле Шателье. например повысив темпера системы. Степень диссоциации молекул водорода может быть также увел1 с помощью действия катализаторов.

Полная реакция, протекающая в электрохимической ячейке, описыьа уравнением:

2Н2 + 02 -> 2Н?0.

Электрохимический элемент, изобретенный Алессандро Вольта (1745-1 в 1800 г., был первым устройством, генерирующим электрический ток в не рывном режиме. Он состоял из цинковых и серебряных (или медных) дне разделенных листами бумаги, пропитанными раствором соли. Гальванич батарея была образована путем последовательного соединения элементов — ный электрод одного элемента соединялся непосредственно С ЦИНКОВЫМ Зі тродом другого элемента.

Электрохимический элемент Вольты можно сделать, если опустить ш вый и медный электроды в разбавленный (например, 10 %-ный) раствор се кислоты. Цинк окислится:

Zn -> Zr,++ + 2е >

в результате чего образуются свободные электроны. Ионы цинка раствори воде. Серная кислота, будучи сильной кислотой1), диссоциирует на ионы:

H2S04 -» 2Н+ + SOf '

Ионы цинка, соединяясь с ионами сульфата, образуют сульфат цинка. П ны в виде иона гидроксония Н' (Н20)х будут двигаться через электролит к ному электроду, на котором в виде газовых пузырей будет выделяться во (при захвате ионом гидроксония электронов, пришедших на электрод из внеII цепи). Этот тип электрохимической ячейки на практике почти бесполезен, как очень быстро медный электрод покроется пузырьками водорода, прили ми к его поверхности, которые существенно уменьшат поток поступают!1' электрод ионов. В так называемых «сухих элементах» применяются некот методы, препятствующие образованию изолирующего газового слоя на ка Химический реагент, который используется для абсорбции водорода, назы^' деполяризатором. Одним из расходуемых реагентов, как правило, является

'> Сила кислоты определяется степенью диссоциации ее молекул в водном растворе. С кислота полностью диссоциирует на ионы Н+ и С1_ — это сильная кислота. Серная к несколько слабее, но тоже относится к сильным кислотам. Удивительно, но плавиковая лота, несмотря на высокую коррозионную активность, является слабой кислотой — n t растворе при комнатной температуре доля ионов Н+ от общей концентрации нейтра молекул HF составляет менее 3 %.

галл, легко подвергающийся окислению; чаще всего используют цинк. Отметим, что медный электрод в элементе Вольты не вступает в химические реакции, и потому медь не расходуется.

До недавнего времени в качестве недорогих гальванических батарей ис­пользовались элементы Лекланше, в которых анод выполнен из цинка, а ка­тод — из графитового стержня, покрытого слоем порошкообразного диокси­да марганца с добавлением графита (для увеличения электропроводности). Диоксид марганца поглощает выделяющийся водород, что предотвращает образование газового слоя на поверхности катода. В качестве электролита используется хлористый аммоний. В современных (щелочных) батареях ис - ■ ользуется щелочной электролит.

Если бы используемый для материала анода цинк был абсолютно чистым, то он расходовался бы только при протекании через элемент электрического тока. Наличие же примесей вызывает коррозию электрода даже в случае, когда эле­мент не используется (примеси образуют многочисленные микроскопические электрохимические ячейки внутри материала электрода). Для обеспечения про- олжительного срока хранения таких батарей анод изготовляется из сплава цинка и ртути (амальгамируется). В настоящее время элементы Лекланше практически полностью заменены щелочными батареями.