Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Хімія - Золота колекція рефератів - 2018

ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ

ХДС — НЕЗАМІННІ КОМПОНЕНТИ ПРИЛАДІВ І ПРИСТРОЇВ

Хімічними джерелами струму (ХДС) є пристрої, що дозволяють у результаті хімічної реакції одержувати електричну енергію.

Характерною особливістю реакцій, які протікають у хімічних джерелах струму, є те, що хімічна енергія переходить в електричну, минаючи проміжні стадії утворення теплової й механічної енергії. Порівняємо для прикладу одержання електричної енергії на електростанціях, де хімічна енергія горіння палива перетворюється спочатку на теплову, потім на механічну (обертання турбін) і нарешті на електричну. У цьому розумінні ХДС є коротшим і більш економічно виправданим шляхом одержання електрики.

Сьогодні ХДС широко використовуються як у техніці, так і в побуті. Основним плюсом таких пристроїв є їхня автономність, тобто незалежність від ліній, пов’язаних з електростанціями. Завдяки цьому ХДС широко використовуються в машинах і апаратах, що вимагають автономного живлення електроенергією, а також в аварійних пристроях, необхідність у яких виникає, коли прилад виявляється відрізаним від ліній електропередачі.

Назвемо основні пристрої й прилади, у яких використовується ХДС:

— у засобах транспорту й тяги (автомобілі, трактори, мотоцикли, катери,тепловози й т. ін.) для приведення в дію стартерів та інших допоміжних пристроїв;

— для вироблення енергії для тяги в електрокарах, електронавантажниках, підводних човнах і т. ін.;

— в автономних освітлювальних приладах (кишенькових ліхтариках, шахтних лампах, лампах для освітлення залізничних вагонів);

— як джерела живлення засобів зв’язку й сигналізації, вимірювальної апаратури, радіосхем і т. д.;

— для регулювання коливань навантаження місцевих електростанцій, а також живлення аварійних пристроїв у стаціонарних установках.

Широке використання ХДС багато в чому обумовлене тим, іцо їхні розміри й потужність можуть варіюватися залежно від вимог приладу, у якому вони використовуватимуться.

ПРИНЦИП ДІЇ ХДС

У ХДС можуть бути використані тільки ті реакції, у яких відбувається зміна ступеня окиснювання елементів, тобто окиснювально-відновні реакції (ОВР). У ході ОВР електрони від відновника переходять до окиспювача. При цьому речовини, що окиснюються й відновлюються, відокремлюються одна від одної. Якщо цього не зробити, то при їхньому зіткненні хімічна енергія перетвориться на теплову. Для виникнення електричного струму (тобто впорядкованого руху електронів) окиснювач і відновник мають бути з’єднані між собою тільки за допомогою провідника, яким електрони підуть від відновника до окиснювача.

Розглянемо як приклад окиснювально-відновну реакцію між цинком і міддю;

Описание: D:\Документи деканату\моя\ЖЕНЯ\2018\січень\2\media\image122.jpeg

Якщо в розчин суміші цинкової й мідної солей опустити цинкову й мідну палички, то реакція протікатиме відповідно до наведеної схеми. У випадку, якщо окисний і відновний процеси не розділити, відбудеться відновлення міді й окиснювання цинку, що супроводжується нагріванням розчину.

Розділимо розчини: цинкову паличку опустимо в розчин солі цинку, а мідну — в розчин солі купруму; розчини між собою розділимо пористою перегородкою, крізь яку можуть проходити іони. При цьому ні окиснювання, ні відновлення протікати не можуть, поки цинк і мідь не будуть з’єднані провідником. Провідником електрони переходитимуть від відновника (Zn) до окислювача (Сu). Таким чином, створиться рух електронів у зовнішньому ланцюзі — електричний струм, тобто хімічна енергія реакції переходитиме в електричну.

Із усього сказаного можна зробити висновок: для роботи ХДС необхідно просторово розділити окисний і відновний процеси.

ВИДИ ХІМІЧНИХ ДЖЕРЕЛ СТРУМУ

ХДС бувають однократної й багаторазової дії.

ХДС однократної дії мають назву первинних елементів, або елементів. Елементи можуть бути використані тільки один раз, хоча й у кілька прийомів. Віддавши свій запас енергії, тобто розрядившись, елементи вже більше не можуть бути повернені до робочого стану.

ХДС багаторазової дії називаються акумуляторами. Розряджені акумулятори можна зарядити повторно. Для цього через розряджений акумулятор пропускають електричний струм від стороннього джерела енергії. Основу акумуляторів складають оборотні ОВР: тільки в цьому випадку при зарядці можна відновити запас хімічної енергії, витраченої при розрядці.

Основними складовими частинами ХДС є:

— електроди (катод і анод);

— електроліт;

— сепаратори — роздільники, що вберігають електроди від прямого контакту;

— посудини.

ХДС ОДНОРАЗОВОЇ ДІЇ

Автономні джерела енергії можна використовувати в будь-який час у будь-якому місці, тому потреба в них неухильно зростає. Завдяки великій розмаїтості завжди можна підібрати елемент, що підходить цьому пристрою.

Для стаціонарних установок найчастіше використовуються мідно-оксидні елементи, у пристроях, що вимагають тривалого збереження елементів без їхнього використання, застосовуються ампульні й резервні елементи. Також використовуються оксидно-ртутні, марганцево-цинкові, повітряно-цинкові й інші елементи.

Мідно-оксидні елементи (МОЕ)

МОЕ — системи, що включають цинковий анод, катод, який представляє собою оксид купруму, і електроліт — водяний розчин NaOH.

Реакції, що протікають на електродах, можна описати такими рівняннями:

Описание: D:\Документи деканату\моя\ЖЕНЯ\2018\січень\2\media\image123.jpeg

Сумарно процеси в елементі описуються рівнянням

CuO + Zn + 2NaOH +Н2О → Cu + Na2Zn(ОН)4

МОЕ мають здатність до регенерації. Це є великою перевагою елементів цього виду. Після розрядки можна регенерувати анод: утворені Сu і Сu2O при нагріванні до 150 °С окиснюються до СuО, у результаті чого анод може бути використаний знову. Катод регенерації не потребує, оскільки витрачається повільно й служить довго.

Ампульні елементи

Особливість ампульних елементів полягає в тому, що електроліт у них зберігається окремо від активних мас у спеціальних ампулах. У дію елемент приводиться під впливом стисненого повітря, піропатрону або іншого пристрою. У результаті електроліт вливається в елемент.

Резервні елементи

Відмінність резервних елементів від ампульних полягає в тому, що перші зберігаються без електроліту. Заповнення ним відбувається в міру необхідності. Перевагою елементів цього типу є те, що вони можуть зберігатися протягом тривалого часу без розрядки. Дуже важливо, щоб електролітом у таких системах була легкодоступна й неагресивна речовина. Наприклад, широко використовуються резервні елементи, активізовані водою. Найчастіше це елементи з магнієвими катодами й анодами, які являють собою хлориди деяких металів. Принцип дії цих елементів полягає ось у чому. Утворений хлорид магнію при активуванні водою розчиняється, збагачує електроліт і підвищує його електропровідність.

Резервні елементи вимагають суворого контролю над pH середовища. Кислі розчини сприяють розчиненню магнію, а отже, великим його втратам. У лужних розчинах магній пасивується й у такий спосіб виводиться з середовища реакції, тобто оптимальним є нейтральне середовище розчину.

З переваг резервних елементів з магнієвим електродом слід назвати їхню працездатність при низьких температурах, оскільки при роботі вони розігріваються. Недоліком таких елементів є їхня висока гігроскопічність, особливо якщо катодом є Сu2Сl2. У присутності вологи й кисню повітря протікають такі реакції:

Cu2Cl2 → СuСl2 + Сu

2Сu2Сl2 + O2 = 2СuО + 2СuСl2

Ці реакції є конкуруючими щодо реакції в елементі:

Cu2Cl2 + Mg = MgCl2 + 2Cu

У результаті процеси в елементі порушуються. Уникнути цього можна, замінивши Сu2Сl2 на стійкіший хлорид свинцю РbСl2. Найкращими є аноди, виконані з хлориду срібла AgCl, однак такі елементи дуже дорогі.

Ртутно-цинкові елементи

Ртутно-цинкові елементи мають також іншу назву — оксидно-ртутні елементи. Процеси, що протікають у цих елементах, можна виразити сумарним рівнянням

HgO + ZnO + Hg

Як анод використовується червоний оксид меркурію, запресований у нікельований сталевий корпус разом із графітом. Електролітом є розчин КОН, насичений цинкатом. Катодом слугує амальгамований цинковий порошок, запресований у сталь.

У зоні реакції має обов’язково бути присутня невелика кількість поверхнево-активних речовин. їхнє призначення — не допускати злиття дрібних крапельок ртуті, що утворюються при розрядженні елемента, у великі краплі, здатні викликати коротке замикання.

Марганцево-цинкові елементи

Анодом марганцево-цинкових елементів є суміш ді- оксиду мангану з графітом і ацетиленовою сажею. У складі електроліту міститься хлорид амонію. Гідроліз NH, CI призводить до того, що середовище електроліту стає кислим. При цьому па аноді протікає процес:

Описание: D:\Документи деканату\моя\ЖЕНЯ\2018\січень\2\media\image124.jpeg

Кисле середовище електроліту необхідне, оскільки в лужному розчині реакція на аноді протікає за абсолютно іншим рівнянням і призводить до збільшення гідроксид-іонів у розчині.

Розрядження марганцево-цинкових елементів — незворотний процес. Утримати кислу реакцію електроліту додаванням кислоти неможливо, оскільки це призвело б до саморозрядження й корозії елемента.

АКУМУЛЯТОРИ

Серед акумуляторів найширше використовуються свинцеві. Процеси, що протікають в акумуляторах, оборотні, що й дозволяє пристрою перезаряджатися.

Усі свинцеві акумулятори мають деякі загальні елементи: анод, виконаний з РbO2, свинцевий катод, сірчанокислий електроліт і дрібнопориста діафрагма, що розділяє прианодний і прикатодний простори.

Процеси, які протікають на електродах, описуються такими рівняннями:

анод: Описание: D:\Документи деканату\моя\ЖЕНЯ\2018\січень\2\media\image125.jpeg

катод: Описание: D:\Документи деканату\моя\ЖЕНЯ\2018\січень\2\media\image126.jpeg

Сумарно процес у свинцевому акумуляторі можна виразити таким рівнянням:

Описание: D:\Документи деканату\моя\ЖЕНЯ\2018\січень\2\media\image127.jpeg

Оборотність процесів є головною умовою для перезарядження акумулятора.

При зарядці акумулятора утвориться сірчана кислота, у результаті чого концентрація H2SO2 зростає. На аноді іони плюмбуму окиснюються, унаслідок чого утворюється PbO2. На катоді іони плюмбуму відновлюються й переходять у свинцеву губку, яка покриває катод. Таким чином, іони плюмбуму з електроліту витрачаються, їхня концентрація знижується. Поповнити концентрацію Рb2+ дозволяє перехід в електроліт PbSO, з розряджених активних мас. Заряджання акумулятора закінчується тим, що потенціали електродів досягають величин, достатніх для виділення кисню й водню, і зарядний струм починає витрачатися на розкладання води.

ІСТОРІЯ СТВОРЕННЯ ХДС

Перші відомості про ХДС з’явилися 1800 р., коли А. Вольта запропонував вольтів стовп — батарею з мідних і цинкових дисків, перекладених змоченим розчином КОН сукном або картоном.

Трохи пізніше (1835 р.) М. Фарадей опублікував працю, присвячену конструюванню й використанню гальванічних батарей.

У 1859 р. була висунута кардинально нова пропозиція — Гастон Планте запропонував накопичувати електроенергію за допомогою свинцевих пластин, занурених у розчин сірчаної кислоти. Це дало поштовх до розвитку виробництва свинцевих акумуляторів. Ці пристрої були значно вдосконалені завдяки роботам Фора. Він першим запропонував наносити на свинцеві пластини пасту з оксидів плюмбуму.

Сьогодні виробництво ХДС є розвиненою галуззю промисловості, продукція якої має високий попит й безупинно вдосконалюється.









загрузка...