САМОДЕЛЬНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Типы аккумуляторов (Планте и Фора-Фолькмара)

Свинцовые аккумуляторы в зависимости от конструк­ции положительных пластин подразделяются на эле­менты:

А) с поверхностными пластинами (типа Планте),

Б) с пастированными (намазными) пластинами (типа Фора-Фолькмара) и

В) с трубчатыми (панцырными) пластинами.

Отличаются они способом производства электродов

И характером изготовления активной массы.

Поверхностной положительной пластиной называ­ется электрод, изготовленный из чистого свинца и об­ладающий большой поверхностью, вследствие ребри­стого строения самой пластины (рис. 1). Активная мас­са поверхностной пластины получается из металла са­мого электрода путем соответствующей электрохими­ческой обработки.

Пастированной или намазной пластиной называется электрод, состоящий из металлической (сплав 90 — 95% свинца с 5—10% сурьмы) основы — решетки (рис. 2), ячейки которой намазываются соответствую­щей пастой из свинцовых соединений, служащей актив­ной массой пластины.

Трубчатой или панцырной пластиной называется электрод, состоящий из металлической (сплавы -свин­ца с сурьмой) - рамки с вертикальными стержнями, во­круг которых помещается активная масса пластины, заключенная в перфорированные трубки из эбонита, или другого соответствующего материала.

Аккумуляторы с поверхностными пластинами очень просты по своему устройству, требуют значительного количества химически чистого свинца, имеют боль­шой вес, отличаются несколько повышенным самораз­

Рядом (см. § 13), но вместе с тем выдерживают очень большое число заряд-разрядов, т. с. имеют йолгий срок службы.

Намаэные пластины при одинаковой емкости весят гораздо меньше поверхностных, так как на решетку расходуется сравнительно небольшое количество сурь­мянистого свинца; саморазряд их меньше, но по сроку службы они значительно уступают поверхностным пластинам.

Что касается аккумуляторов с трубчатыми электро­дами, то они по своим свойствам лежат между описан­ными типами, но производство их очень сложно и воз­можно лишь в заводских условиях.

3. Электролиз. Прохождение электрического тока в металлах ло. современным научным взглядам заклю­чается в том, что мельчайшие отрицательно заряжен­ные частицы электричества — электроны — с большей или меньшей скоростью движутся по проводнику в на - А правлении приложенного напряжения. Прохождение тока не изменяет металлического проводника.

Однако, существуют проводники, заметно изменяю­щиеся от прохождения через них тока. Это, так назы­ваемые электролиты — растворы кислот, щелочей, со­лей и т. д. Протекающий через электролит ток влечет за собой перемещение материальных частиц электро - * лита, сопровождаемое химическим разложением. Это явление называется электролизом. Причем, когда про­исходит электролиз кислоты на катоде (пластине, сое­диненной с отрицательным полюсом источника тока), всегда выделяется водород; при электролизе щелочей и солей на катоде выделяется металл и в то же время на аноде (на пластине, соединенной с положительным полюсом источника тока) выделяется остающаяся часть электролита.

Как йоказал недавно умерший шведский ученый Сванте-Аррениус, молекулы электролита находятся в состоянии диссоциации, т. е. некоторая их часть рас­падается, расщепляется (диссоциирует) на составные части, обладающие противоположным электрическим зарядом.

У кислот, солей и оснований положительно заряжен­ными частицами или ионами являются атомы водоро­да и металлов, а отрицательно заряженными ионами— кислотные и водные остатки. Например, молекула сер - ной кислоты H2SO4 распадается на положительно за­ряженный ион водорода и отрицательно заряженный ион SOi. Сумма положительных зарядов, получаемых нонами одного рода, равна сумме отрицательных заря­дов ионов другого рода, поэтому весь раствор остается ' в целом электрически нейтральным.

Когда через раствор пропускается электрический ток, ионы перемещаются в жидкости по двум проти­воположным направлениям, Причиной такого переме-

W

Щения является взаимодействие разноименно заря­женных ионов. Ионы, заряженные положительно и на­зываемые катионами, направляются к заряженному отрицательно катоду; отрицательные же ионы — ани­оны — движутся к положительно заряженному аноду. Достигнув электродов, ионьг отдают свои заряды, пре­вращаясь в обычные нейтральные атомы или группы атомов. Последние или выделяются - из раствора или входят во взаимодействие с водою или с материалом электродов, образуя новые вещества.

Ионы обозначаются теми же химическими знаками как атомы и молекулы с добавлением к ним справа вверху точки или знака плюс в случае положительных зарядов и штриха или знака минус, если заряды отри­цательные. Так, например, и-он водорода будет обоз­начен Н • или Н+, ион кислотного остатка SOi" и, ти SOi.

Диссоциация электролитов выражается обычными уравнениями, но знак равенства заменяется стрелками, так как процесс обратим, например

H.,SOj Н' - f H' + SO,".

4. Законы Фарадея. Отчего зависит количество про­дуктов разложения (электролиза), выделяющихся за определенное время на электродах? Ответ на этот воп­рос дал Фарадей своими законами электролиза.

1- й закон Фарадея. Весовое количество выделяю­щихся при электролизе веществ пропорционально времени к количеству электричества, прошедшего че­рез раствор.

2- й закон Фарадея. При прохождении одного и то­го же количества электричества через различные элек­тролиты весовые количества выделившихся веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.

Как известно, химическим эквивалентом того или другого элемента называется отношение атомного ве­са элемента к его валентности. В таблице 1 помещены

Оба закона Фарадея можно объединить в общий за­кон электролиза, гласящий: «Количество вещества, выделяющегося из электролита, пропорционально хи­мическому эквиваленту вещества и количеству про­шедшего через раствор электричества.

Количество вещества, выделившегося под влиянием количества электричества, равного 1 ампер-секунде (т. е. 1 кулону), называется его электрохимическим эквивалентом. Для каждого вещества электрохимичес­кий эквивалент строго постоянен и пропорционален его химическому эквиваленту, т. е., говоря иначе, коэ - фициент пропорциональности С равен электрохими­ческому эквиваленту К, деленному на химический эк­вивалент s; он является постоянной величиной для всех химических элементов и равен 0,01036. В табли­це 2 показаны значения С для некоторых веществ.

Оба закона Фарадея можно выразить одной фор-

МУЛ0Й Q = О. ОЮ36.Ш,

Где Q — количество выделившегося вещества, £ — хими­ческий эквивалент, і — Ееличина тока в амперах, t — вре­мя в секундах.

Пример. Сколько выделится свинца, если через вольтаметр проходит ток в 1 ампер в течение 1 часа (3600 секунд).

'Q = 0,01036-103,61.1.3600 = 3,86 г.

Практические измерения показали, что для выделе­ния одного граммэквивалента[1] водорода (или друго­го одновалентного вещества) надо пропустить через раствор 94 494 или, округляя, % 500 кулонов электри­чества. Для выделения 1 граммэквивалента двухвалент­ного элемента над© даять в два раза больше электри­чества и т. д. Число % 500 в честь Фарадея названо его именем и обозначается буквой F (не смешивать с фа­радой).

Таблица 2

Пример. Полъувяеь числом 96 500, повторим выше­приведенный пример. 1 амперчас равен 3 600 кулонам (60X60). Следовательно, 1 фарадей = 96 500 : 3 600 = — 26,8 амперчасов. Граммэквиваяент свинца — 103,61. Отсюда нетрудно сделать вывод, что 1 ампер - чаіс выделит 103,61 : 26,8 = 3,86 г свинца.

Законы Фарадея, опубликованные 100 лет назад (1836 г.), имеют огромное значение в электрохимии и в дальнейшем изложении нам придется к ним неодно­кратно обращаться.

5. Принцип действия и химические реакции свинцо вого аккумулятора. Для объяснения действия свинцо­вых аккумуляторов возьмем стеклянный сосуд, напол­ним его разведенной серной кислотой и погрузим в раствор две совершенно одинаковые свинцовые плас­тинки. Теперь пропустим через прибор постоянный ток от внешнего генератора (от динамо, аккумулято­ров или гальванических элементов). Из сказанного вы­ше мы знаем, что катионы серной кислоты стремятся к отрицательному полюсу. Бели бы в сосуд были по­гружены платиновые пластинки, то на аноде выделял­ся бы кислород, а на катоде водород. Теперь же ни­какого выделения газа не происходит.

При погружении свинцовых пластинок в кислоту (еще до соединения их с источником тока), они немед­ленно под действием серной кислоты покрываются тонким слоем сернокислого свинца PbS04 (рис. 3). Пос-

Разряжечный Заряженный Рис. 3. Схема свинцового аккумулятора

Ле включения тока 'выделяющийся при электроли­зе кислотный остаток S04 действует на анод, дающий с сернокислым свинцом перекись (или вернее, двуо­кись свинца) РЬОа и серную кислоту H2SO4, причем в этом процессе участвует вода электролита. Происхо­дящий здесь химический процесс можно выразить уравнением

PbS04+ SO, - f-2H,0= Pb02-f-2H2S04.

Сернокис. і кислоти, і пола ___________________ Перекись і серная

Свинец ~р остаток р д -- свинца ~р кислота.

В то же время на катоде водород восстанавливает сернокислый свинец, вытесняя из него свинец и обра­зуя серную кислоту по уравнению

PbS04 4- Н, = Pb +H2S04

СеРсГн';«ЛЫЙ + ВОДОРОД - . Свинец 4- кСвГота

Общее уравнение заряда будет:

2PbSO, 4- 2НгО = РЬ02 4- РЬ + 2H, S04.

Из уравнения виЛно, что количество воды в раство­ре уменьшается, плотность же электролита увеличива­ется. Во время этого процесса (заряда) меняется цвет электродо'к, анод приобретает темно шоколадный цвет перекиси свинца, а катод становится серым (цвет губ­чатого свинца).

Описанный процесс заряда будет происходить лишь до тех пор, пока на пластинах будет находиться серно­кислый свинец. Когда же он полностью перейдет в пе­рекись на аноде и в губчатый металл на катоде, даль­нейшее прохождение тока не будет изменять хими­ческого состояния пластин, а будет лишь разлагать во­ду электролита на ее составные части, причем, как и при платиновых электродах, кислород начинает выде­ляться на аноде, а водород — на катоде. Аккумулятор начинает «кипеть», что служит признаком окончания заряда.

Выключим теперь источник тока и включим в цепь нашего прибора вольтметр. Он покажет напряжение немного больше 2в, причем ток разряда будет течь в противоположном зарядному току направлении. Через короткий промежуток времени напряжение упадет до нуля.

Во время разряда ток внутри сосуда идет от катода к аноду. На катоде выделяется кислотный остаток SO4, водород же выделяется на аноде. На катоде про­исходит соединение свинца с кислотным остатком, в результате чего образуется сернокислый свинец; выде­ляющийся на аноде водород восстанавливает перекись в окись, которая в свою очередь, соединяясь с серной кислотой, образует сернокислый свинец и таким обра­зом на обоих электродах восстанавливается исходное положение. Процесс разряда можно представить сле­дующим образом:

На аноде PbO.-f Н.2 -f H2S04 = PbS04 + 2На0. на катоде Pb + S04 = PbS04.

Общее уравнение разряда будет:

Pb02 -f Pb + 2H2S04 = 2PbS04 + 2Н20.

Но вр^мй разряда, благодаря связыванию серной кислоты и образованию воды, плотность кислоты уменьшается.

Сравнивая общее уравнение заряда и разряда, мож­но видеть, что они тождественны, но только идут в разных направлениях, т. е. полную реакцию можно выразить так:

Pb02 - f - Pb + 2H2S04 2PbS04 2H20.

Уравнение это, называемое уравнением «двойной еульфатации» (так как активная масса обоих электро­дов при разряде переходит в сернокислый свинец, т. е. сульфат свинца), 'предложено еще в 1882 г. Гладстоном и Трайбом и до настоящего времени, не­смотря на многочисленные попытки его оспорить (са­мая последняя теория Фери 1917—1926 гг.), считается наиболее вероятной для объяснения химических реак­ций, происходящих в свинцовом аккумуляторе. Тео­рия Фери, после обсуждения ее на Всемирном конгрес­се электриков в Париже (1932 г.), считается окончатель­но опровергнутой,