Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



історія відкриття І розвитку хімічних джерел струму хімічні джерела струму 14

Скачати 257.66 Kb.

історія відкриття І розвитку хімічних джерел струму хімічні джерела струму 14




Скачати 257.66 Kb.
Сторінка1/3
Дата конвертації03.04.2017
Розмір257.66 Kb.
  1   2   3

ЗМІСТ

ВСТУП 2


1. ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ І РОЗВИТКУ ХІМІЧНИХ ДЖЕРЕЛ СТРУМУ 3

2.

Хімі́чні джере́ла стру́му (ХДС, рос. химические источники тока, ХИТ) - джерела електричної енергії, яка виробляється шляхом перетворення хімічної енергії в електричну, що складаються з одного чи декількох неперезаряджувальних первинних елементів або перезаряджувальних вторинних елементів (акумуляторів), у тому числі інтегрованих у вироби промислового чи побутового призначення.
ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ 14

2.1 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА 14

2.2 ПЕРВИННІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ 16

2.

Першоджерело, первинне джерело - безпосереднє джерело певних відомостей або оригінальна основоположна праця в якій-небудь галузі науки, культури тощо.
3 ВТОРИННІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ АБО АКУМУЛЯТОРИ 18

2.3.1 СВИНЦЕВИЙ КИСЛОТНИЙ АКУМУЛЯТОР 19

2.3.2 КАДМІЄВО-НІКЕЛЕВИЙ ЛУЖНИЙ АКУМУЛЯТОР 21

2.3.4 СРІБНО-ЦИНКОВИЙ ЛУЖНИЙ АКУМУЛЯТОР 22

2.4 ПАЛИВНІ ЕЛЕМЕНТИ 23

2.5 ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ НА ОСНОВІ НЕВОДНИХ ЕЛЕКТРОЛІТІВ 26

ВИСНОВКИ 30

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА 31



ВСТУП

В сучасному світі широко використовуються багато явищ, що описуються за допомогою фізики і хімії. Вони знайшли своє застосування і стали не аби якими корисними для людства.

Хімічні джерела струму стали рішенням дуже багатьох проблем, а саме, як можна отримувати автономний струм, що отримується з маленьких елементів, відносно дешевий вид отримання струму.

У даній курсовій роботі розглянуто пер за все основні і найголовніші джерела хімічного струму. А саме гальванічні елементи, акумулятори, паливні елементи.

Цікава і історія розвитку хімічний джерел струму, а особливо відкриття Гальвані, яке також описано у курсовій роботі.

Не аби яку цікавість викликають і нові технології по отриманню струму за допомогою хімічних речовин, зараз дуже актуальні елементи з використанням літію, останніми роками ці елементи дуже добре зарекомендували себе.

Гальвані́чний елеме́нт - хімічне джерело живлення, в якому використовується різниця електродних потенціалів двох металів, занурених у електроліт. Гальванічний елемент є непідзарядним хімічним джерелом електроенергії.
Речовина́ - вид матерії, яка характеризується масою та складається з елементарних частинок (електронів, протонів, нейтронів, мезонів тощо). Характерною властивістю таких частинок є відмінні від нуля баріонний заряд або лептонний заряд.
Отже - вивчити найголовніші властивості і принцип дії хімічних джерел струму є мета даної курсової роботи.



1. ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ І РОЗВИТКУ ХІМІЧНИХ ДЖЕРЕЛ СТРУМУ

Автономні (переносні) хімічні джерела струму діляться на первинні (гальванічні елементи) і вторинні (акумулятори). Первинні джерела після їхнього виснаження не заряджаються, а викидаються. Не дивно, що їхня вартість значно нижче, ніж в акумуляторів, що слугують, наприклад, у мобільних телефонах.

Стільниковий телефон - автономний мобільний телефон, призначений для роботи в мережах стільникового зв'язку; використовує приймач радіодіапазону і традиційну телефонну комутацію для здійснення телефонного зв'язку на території зони покриття мережі.
Однак принцип дії в них один - окислювально-відновна хімічна реакція, при якій електрони, що переходять від відновника до окислювача, і є електричний струм.
Електри́чний струм (англ. electric current) - упорядкований, спрямований рух електрично заряджених частинок у просторі.
Хімі́чна реа́кція - це перетворення речовин, при якому молекули одних речовин руйнуються і на їхньому місці утворюються молекули інших речовин з іншим атомним складом. Усі хімічні реакції зображують хімічними рівняннями.

До винаходу гальванічних елементів єдиним джерелом електрики були електричні електростатичні машини (назва походить від грецького слова "електрон" - бурштин; зі старовини була відома здатність шматків бурштину заряджатися при терті і притягати легкі предмети). У цих машинах електричний заряд виникає за рахунок тертя.

Електри́чний заря́д - фізична величина, яка є кількісною мірою властивості фізичних тіл або частинок речовини, що вступають в електромагнітну взаємодію. Електричний заряд звичайно позначають латинськими літерами q або великою буквою Q .
Потім з'явилися індукційні машини, у яких заряди з'являлися на обертовних у протилежні сторони скляних дисках і накопичувалися на двох металевих кулях - розрядниках (такі машини можна побачити й у шкільному кабінеті фізики). Коли напруга на розрядниках перевищує напругу пробою повітря (приблизно 30 кіловольт/див), проскакує іскра і чутний тріск; аналогічне явище у великому масштабі відбувається і при розряді "дійсної" блискавки. Такі машини дозволяли проробляти деякі досліди (наприклад, за допомогою іскри можна було підпалити ефір), однак вони не могли давати електричний струм протягом хоча б декількох секунд.

У 1745-1746 роках німецький фізик Эвальд Юрген Фон Клейст і голландський фізик Питер Ван Мушенбрук, що працювали в місті Лейдене, створили простий прилад, що дозволяє зберігати електричний заряд, отриманий від електростатичної машини. Це був праобраз сучасних конденсаторів, що назвали лейденською банкою.

Лейденська банка - пристрій, що «зберігає» статичну електрику між двома електродами на внутрішній та зовнішній поверхнях скляної банки. Це найперше відоме втілення електричного конденсатора.
Він теж міг давати тільки короткочасний розряд.

Створенню постійних джерел струму сприяло відкриття, зроблене наприкінці XVІІІ в. італійським професором анатомії Луїджи Гальвані. Гальвані препарував жабу, а неподалік стояла електростатична машина. Коли вістря скальпелю торкнулося стегнових нервів, то, як писав Гальвані, "негайно всі м'язи кінцівок почали так скорочуватися, що здавалися запалими в найсильніші тонічні судороги". Помічник Гальвані помітив, що в цей самий момент між полюсами машини проскочила іскра.

Такі ж результати були згодом отримані і на інших тваринах і не тільки холоднокровних. Електричну машину в досліді з жабою цілком міг замінити розряд у лейденській банці і, як згодом з'ясувалося, атмосферний розряд - блискавка.

Електр́ична маш́ина - електромеханічний пристрій для перетворення механічної енергії на електричну чи електричної на механічну, або електричної енергії одного роду чи з одними параметрами на електричну енергію іншого роду або з іншими параметрами.
Гальвані пояснив це незвичайне явище існуванням деякої "тваринної електрики". На його думку, м'язи і нерви утворюють як би дві обкладки лейденської банки і можуть накопичувати електрику. Дійсно, так і відбувається в електричних риб і скатів: у них є досить ємні природні конденсатори. Але це стало відомо набагато пізніше. Гальвані ж, сам того не підозрюючи, передбачив досвіди німецького фізика Генріха Рудольфа Герца, що за допомогою іскри одержав радіохвилі, а потім зміг їх прийняти на відстані декількох метрів. Тільки в Герца приймачем служив дротовий прямокутник - антена з іскровим проміжком (дуже слабкі іскорки в приймачі він спостерігав у темряві за допомогою лупи), тоді як у Гальвані роль антени виконував скальпель, а детектором був нерв жаби.

Однак у деяких досвідах жаб'ячі м'язи скорочувалися без усяких видимих причин: ні грози, ні електричної машини поблизу не було. Виявилося, що це відбувається в тих випадках, коли м'яз і нерв з'єднані металевим дротом, і особливо сильно - якщо цей дріт складений із двох різних металів; сильніше інших діяла пара залізо-срібло.

Розкрити природу відкритого Гальвані явища вдалось італійському фізику Алессандро Вольта.

Алессандро Джузеппе Вольта (18 лютого 1745 - 5 березня 1827) - італійський фізик і фізіолог.
Спочатку він узагалі не повірив Гальвані, але, повторивши його досліди, переконався в тім, що явище дійсне існує. Однак досліди з дротом він пояснив зовсім інакше: електрика виникає при контакті різних металів, а жаба - це просто дуже чуттєвий прилад для виміру і до утворення електрики як такого відношення не має. Дослідницьким шляхом Вольта розташував метали в ряд таким чином, що чим далі один від одного вони в цьому ряді, тим більше сильний ефект роблять. Хіміки з подивом знайшли, що в такому ж порядку змінюється і хімічна активність металів. В даний час цей ряд називається рядом напруг металів або електродних потенціалів.
Активність елемента розчину - ефективна (уявна) концентрація компонентів з урахуванням різних взаємодій між ними в неідеальному розчині, тобто з урахуванням відхилення поведінки системи від моделі ідеального розчину.
Електродний потенціал - різниця електричних потенціалів між електродом та електролітом, в контакті з яким він знаходиться (найчастіше між металом і розчином електроліту).
В основних рисах він має вид Lі... Mg... Zn... Fe... Sn... H... Cu... Ag... Au.

Вольта, крім жаби, використовував і інші способи виміру, наприклад, власний язик: він клав на нього золоту чи срібну монету, а під язик - мідну. Як тільки дві монети з'єднували шматочком дроту, відразу ж у роті відчувався кислий смак, знайомий кожному, хто пробував "на язик" контакти батарейки для кишенькового ліхтаря. Щоб підсилити ефект, Вольта з'єднував пари металів послідовно, так що вийшов ланцюжок, названа по імені винахідника "вольтовым стовпом". Спочатку це були чашечки з розчином кислоти, у яку були опущені металеві смужки, потім - кружечки з цинку і міді (чи срібла), розділені прокладками з папера, тканини, що були пропитані розчином лугу або просто розсолом.

Введення в електричний ланцюг розчинів (Вольта назвав їх провідниками другого роду на відміну від металів - провідників першого роду) виявилося вирішальним у винаході Вольта.

Електри́чне ко́ло - сукупність сполучених між собою провідниками електронних компонентів, джерел струму й напруги, перемикачів тощо, через яку може проходити електричний струм.
У пам'ять про Гальвані, що помер у 1798, Вольта назвав свої елементи гальванічними. Незабаром англійський хірург і хімік Энтони Карлейль виготовив вольтов стовп із 36 послідовно з'єднаних цинкових кружків і монет У перших дослідах з батареєю спостерігалося розкладання води з утворенням газів.

Відомий англійський хімік Гемфрі Дэві виготовив вольтов стовп із мідних і цинкових пластинок, розділених водяним розчином аміаку. Перша його батарея складалася з 60 таких елементів, а через кілька років довів їхню кількість до тисячі. За допомогою цієї батареї він провів знамениті досвіди по виділенню нових елементів - лужних і лужноземельних металів.

Ще більш грандіозну батарею побудував за кілька років до Дэві росіянин фізик-самовучка Василь Володимирович Петров.

Лу́жноземе́льні мета́ли - елементи головної підгрупи другої групи періодичної системи. До них відносяться хімічні елементи: берилій, магній, кальцій, стронцій, барій та радій. За класифікацією IUPAC вони належать до групи 2 елементів.
Професор Васи́ль Володи́мирович Петро́в (нар. 8 (19) липня 1761(17610719), Обоянь, Курська губернія, Російська імперія - пом. 22 липня (3 серпня) 1834, Санкт-Петербург, Санкт-Петербурзька губернія, Російська імперія) - російський фізик-експериментатор, електротехнік-самоучка, академік Петербурзької АН (з 1809 року; член-кореспондент з 1802 року), першовідкривач дугового розряду, який називають дугою Петрова.
У 1802 році він створив батарею, що складається з 4200 мідних і цинкових пластин. Між металевими кружками прокладалися картонні кружки, просочені розчином хлориду амонію.
Амо́нію хлори́д (рос. нашатырь, англ. sal-ammoniac, англ. ammonium chloride; нім. Salmiak m, Ammoniumchlorid n) -мінерал, амонієва сіль соляної кислоти. Інші назви - нашатир, хлористий амоній, сальм’я́к, сальміак, саламоніак, саламоніт.
"Стовп Петрова", на відміну від вольтова стовпа, розташовувався горизонтально в сухих вузьких дерев'яних шухлядках.
Вольтів стовп - найбільш ранній попередник сьогоднішньої електричної батареї. Він був винайдений італійським фізиком Алессандро Вольта, який опублікував свої висновки в доповіді 20 березня 1800 року.
Уся батарея була складена з чотирьох рядів, кожен довжиною близько 3 м, з'єднаних послідовно мідними дужками. Про важкість роботи з цією батареєю свідчить такий факт: щоб очистити тільки 40 пластин після їхнього окислювання помічнику Петрова було потрібно не менш години! Теоретично така батарея може давати напругу до 2500 вольт. За допомогою цієї гігантської батареї Петров провів безліч дослідів: він розкладав різні речовини, у тому числі органічні, а також оксиди металів - ртуті, свинцю й олова. У 1803 Петров вперше у світі одержав електричну дугу і вказав на можливість її практичного застосування; так, з її допомогою йому вдалося розплавити метали, яскраво висвітлювати великі приміщення.

Протягом XІХ ст. працями фізиків і хіміків була закладена теорія роботи гальванічних елементів; основна заслуга в цьому належить німецькому фізико-хіміку Вальтерові Нернсту. Конструкція елементів також була значно удосконалена. Головний підсумок роботи теоретиків такий: у гальванічному елементі відбувається пряме перетворення хімічної енергії в електричну. Для цього в елементі повинна протікати окислювально-відновна реакція, наприклад, розчинення цинку в кислому середовищі:
Zn 2H = Zn2 H2.

О́кисно-відно́вна реа́кція (заст. оки́снювально-відно́вна реа́кція) - хімічна реакція, яка відбувається із зміною ступеня окиснення атомів, що входять до складу реагентів, і реалізується перерозподілом електронів між атомом-окисником та атомом-відновником.
Хімічна енергія - загальний термін, яким характеризують ту частину енергії зв'язку молекул, яку можна перетворити в інші види енергії за допомогою хімічних реакцій і використати. Хімічна енергія може бути перетворена або в тепло, як, наприклад, при горінні, або в електричну енергію, як, наприклад, в гальванічних елементах.
Кисло́ти, у класичному визначенні - електроліти, які при розчиненні в йонізуючому розчиннику (наприклад, у воді), дисоціюють з утворенням йонів водню (або протону Н+), таким чином знижуючи кислотність розчину до величини менше ніж pH 7,0.

Атоми цинку (відновники) віддають електрони:

Zn - 2e = Zn2 ,


а іони водню (окислювачі) їхній приймають:

2H 2e = H2.

У гальванічному елементі процеси окислення і відновлення просторово розділені: водень повинний виділятися не на цинку, а на міді. Тоді електрони від цинку до міді будуть переходити не безпосередньо в розчині (у цьому випадку вони губляться без користі), а через зовнішній ланцюг, де можуть робити корисну роботу. Саме так працює елемент Вольта.

Струм в елементі знімається за допомогою двох електродів. Відповідно до прийнятої номенклатури, на одному з них - аноді протікає процес окислення, а на катоді йде відновлення. Тому цинковий електрод гальванічного елементу - це анод, а мідний - катод (при електролізі солей цинку він виділяється на катоді, тому що при цьому цинк не окислюється, а відновлюється: Zn2 2e = Zn; аналогічно при електролізі з мідним анодом мідь окислюється: Cu - 2e = Cu2 , так що визначення катода й анода залишається в силі)

Дія гальванічного елементу припиняється після повного чи часткового використання якогось електроду (наприклад, цинку). Тому що хімічна реакція, що протікає в елементі, не оборотня, його не можна знову "зарядити". Електрорушійна сила елемента (ЭРС) не залежить від розмірів і конструкції електродів, від кількості електроліту, але залежить від природи хімічної реакції, що протікає, від складу і концентрації електроліту.

Електрорушійна сила - кількісна міра роботи сторонніх сил із переміщення заряду, характеристика джерела струму.
Якщо ці параметри відомі, ЭРС можна розрахувати. Розрахувати можна і теоретичну ємність елемента. Так, за законом Фарадея для розчинення 1 моль цинку потрібно 2 моль електронів, чи 96500 кулонів (ампер-секунд) електрики, чи 26,8 ампер-годин.
Закóни Фарадéя (рос. законы Фарадея; англ. Faraday's laws of electrolysis; нім. Faradaysches Gesetze n pl) - основні закони електролізу. Встановлюють взаємозв’язок між кількістю електрики, яка проходить через електропровідний розчин (електроліт), і кількістю речовини, яка виділяється на електродах.

Здатність металу переходити в розчин у виді іонів, а також відновлюватися з іонів до металу характеризується його стандартним електродним потенціалом. Ряд, вибудований у порядку зміни потенціалів, називається рядом стандартних електродних потенціалів (при стандартних умовах концентрації всіх іонів рівній 1 моль/л, тиск усіх газів складає 1 атм).

Станда́ртний стан - сукупність термодинамічних умов, які застовуються для оцінки термодинамічних величин.

Щоб визначити стандартний електродний потенціал металу, вимірюють ЭРС гальванічного елемента, один з електродів якого - досліджуваний метал, занурений у розчин його солі (при концентрації 1 моль/л), а другий електрод - еталонний (його ще називають водневим). Він виготовлений з дуже пористої губчатої платини й занурений у розчин кислоти (концентрація іонів H 1 моль/л); платиновий електрод безупинно оточує газоподібний водень (під тиском 1 атм), що частково розчиняється в платині. Таким чином, всі електродні потенціали - не абсолютні, а відносні, обмірювані для гальванічної пари метал - водень (потенціал стандартного водневого електроду приймають рівним нулю). Визначені в таких умовах потенціали різних металів завжди будуть постійними, вони занесені в усі довідники і приводяться звичайно для температури 250С). Електродні потенціали активних металів, що реагують з водою, отримані непрямим шляхом.

Електродні потенціали записують як потенціали відновлення іонів металів. Найнегативніший потенціал (-3,04 В) - у реакції Lі e = Lі; один з найпозитивніших ( 1,68 В) - у реакції Au e = Au. Це говорить про те, що ЭРС гальванічної пари літій-золото (якби така пари могла працювати у водяному середовищі) була б рівною 4,72 В; для розповсюдженої пари мідь-цинк ЭДС значно менше і дорівнює 1,10 В (відповідні потенціали металів рівні - 0,76 і 0,34 В). Для неводних електролітів можна використовувати і лужні метали;

Лу́жні мета́ли - елементи 1 групи періодичної системи за винятком водню. За старою класифікацією елементи головної підгрупи I групи. Назва пов'язана з тим, що при взаємодії лужних металів з водою утворюється їдкий луг.
так улаштовані, наприклад, літієві елементи (їх застосовують, зокрема, для "харчування" стимуляторів серця) - вони дають ЭРС до 3,5 В. Звичайно, потенціали для неводних розчинів інші.

При роботі гальванічного елемента, коли через нього і через зовнішній ланцюг йде струм, напруга на електродах знижується; це зниження за законом Ома залежить від внутрішнього опору елемента (звичайно воно складає від 1 до 20 Ом) і від сили струму.

Внутрішній опір двополюсника - імпеданс у еквівалентній схемі двополюсника, що складається з послідовно включених генератора напруги та імпеданса (див. малюнок). Поняття застосовується в теорії електричних кіл при заміні реального джерела ідеальними елементами, тобто при переході до еквівалентної схеми.
Си́ла електри́чного стру́му (сила струму або просто струм) - кількісна характеристика електричного струму в провіднику, скалярна величина I = Δ q Δ t }} , яка відповідає кількості заряду ( Δ q ), що проходить через перетин провідника за час Δ t , розділеному на цей проміжок часу.
Для деяких елементів це зниження невелике і не перевищує 0,1 В, для інших може бути значно великим. Стосовно до джерел струму зниження напруги на електродах при роботі елемента називається поляризацією. Вона залежить від хімічної природи і конструкції електродів, від складу і концентрації електроліту, щільності струму, температури.
Густина електричного струму - визначається як величина заряду, що протікає через одиничну площу за одиницю часу.
Так називана хімічна поляризація часто спостерігається при виділенні на електродах водню і кисню. Величина такої поляризації в дуже сильному ступені залежить від матеріалу електрода. Наприклад, якщо в елементі Вольта замінити мідний електрод на платиновий, то напруга елемента зросте майже на 0,5 В. Якщо ж замість мідного електрода узяти свинцевий, то напруга, навпаки, упаде приблизно на 0,6 В. Різниця між експериментальним і теоретичним потенціалом електрода для даної концентрації іонів водню і щільності струму називається перенапругою водню на цьому електроді. Поляризація відіграє роль і в процесах електролізу: якби її зовсім не було, розряд іонів водню йшов би вже при дуже малій напрузі на електродах, чого не спостерігається.

В елементі Вольта навіть при незамкнутому зовнішньому ланцюзі все-таки йде окислювально-відновна реакція на межі цинк-кислота (катодами слугують домішки в цинку). Тому це джерело струму на практиці не застосовується. Крім того, що виділяються на мідному електроді і прилипають до нього пухирці водню сильно заважають роботі елемента. На цю обставину в 1836 звернув увагу Джон Фредерік Даніель - британський хімік і метеоролог (він винайшов також вимірник вологості - гігрометр). У його конструкції цинковий електрод занурений у розчин цинкового купоросу (сульфату цинку), а мідний - у розчин мідного купоросу (сульфату міді). У результаті на мідному електроді водень не виділяється, а йде реакція відновлення іонів міді: Cu2 2e = Cu.

Відно́влення (рос. восстановление, англ. reduction; нім. Reduktion f) -- це процес приєднання електронів речовиною, при цьому ступінь окиснення її елементів знижується.
Щоб обидва електроліти не змішувалися, Даніель розділив їхньою пористою перегородкою з необпаленої глини. Такий пристрій уперше забезпечив тривалу і рівномірну дію гальванічного елемента, а його ЭДС (електрорушійна сила) близька до теоретичного і дорівнює 1,09 В. За цей винахід Даніель був визнаний гідним вищої нагороди Королівського суспільства - золотої медалі Коплі. Незалежно аналогічний елемент був розроблений російським ученим Б.С. Якобі. Цей елемент при порівняльної простої конструкції мав значну ємність і протягом декількох десятиліть застосовувалося як джерело харчування на телеграфі. І в даний час роботу хімічних джерел струму пояснюють на прикладі елемента Даніеля - Якобі.

Інакше вирішили проблему поляризації катода Грені, Бунзен і Гроув. Грені замінив мідний електрод вугільним, а до розчину сірчаної кислоти додав дихромат калію.

Дихрома́т ка́лію, ка́лій дихрома́т - неорганічна сполука, калієва сіль ряду дихроматів складу K2Cr2O7. Речовина є помаранчево-червоними кристалами із гірким смаком і великою токсичністю. В природі знаходиться у вигляді рідкісного мінералу лопециту.
Меда́ль Ко́плі (англ. Copley Medal) - щорічна нагорода Лондонського королівського товариства.
Сульфа́тна кислота́ (сірчана кислота, IUPAC - дигідрогенсульфат, застаріла назва - купоросне масло) - сполука сірки з формулою H2SO4. Безбарвна масляниста, дуже в'язка і гігроскопічна рідина. Сірчана кислота - одна з найсильніших неорганічних кислот і є дуже їдкою та небезпечною.
Дихромати в кислому середовищі - дуже сильні окислювачі, тому водень на катоді просто окислявся до води. В елементі Бунзена вугільний катод був занурений у концентровану азотну кислоту, що знаходилася в пористій керамічній судині, а зовні був цинковий анод у розведеній сірчаній кислоті.
Азотна кислота, нітратна кислота (HNO3) - сильна одноосновна кислота. Висококорозійна кислота, реагує з більшістю металів, сильний окисник. Має тенденцію набувати жовтого відтінку через накопичення оксидів азоту, при довгому зберіганні.
Саме елементи Бунзена послужили Ч.М. Холу, що вперше одержав алюміній методом електролізу. У Гроува замість вугільного електрода був платиновий, а цинк Гроув амальгував. Щоб цинк не розчинявся в кислоті в той час, коли такими елементами не користаються, цинковий електрод робили піднімальним.

Значно удосконалив гальванічний елемент і зробив його зручним для практичного використання французький інженер Жорж Лекланше в 1867 Як деполяризатор він використовував діоксид марганцю, що на катоді відновлюється, перешкоджаючи виділенню газоподібного водню:

MnО2 4H 2e = Mn2 2H2O.

Окси́д ма́рганцю (IV), ма́нган(IV) окси́д - неорганічна сполука, оксид складу MnO2. Являє собою порошок темно-коричневого або чорного кольору, нерозчинний у воді. Проявляє слабкі амфотерні властивості (із перевагою осно́вних).
Спочатку електролітом служив водяний розчин хлориду амонію; потім Лекланше став використовувати електроліт, загущений клейстером. Це революційним образом змінило справу: "сухі" елементи Лекланше перестали боятися випадкового перекидання, їх можна було використовувати в будь-якім положенні. Винахід Лекланше мав негайний комерційний успіх, а сам винахідник, закинувши свою основну професію, відкрив фабрику по виробництву елементів.

В даний час елементи Лекланше - найдешевші, і випускаються мільярдами. Цьому сприяє приступність і дешевина сировини: цинк дешевше міді, а MnО2 - найпоширеніша сполука марганцю в природі (мінерал піролюзит). Багаті поклади цієї руди маються в Африці, Бразилії, Мексиці. Активна катодна суміш елементів Лекланше, що оточує вугільний катод, пресується з діоксида марганцю і графіту з добавкою електроліту. Цинкові аноди спочатку робили зі сплаву, що містить свинець, кадмій і досить багато (до 8%) ртуті. Зараз зміст ртуті зведений до мінімуму, а в багатьох елементах ртуті немає зовсім (на них позначено "mercury free"). Вже з перших днів виробництва елементів Лекланше було встановлено, що різні джерела діоксида марганцю сильно впливають на характеристики елемента. Дійсно, відомо принаймні п'ять кристалічних модифікацій Mn2, що розрізняються по властивостях. Найдешевші елементи використовують природний піролюзит, добутий у Гані, чи Габону Мексиці. Уся його переробка зводиться до простого перемелювання і промивання. Щоб одержати більш відтворені результати, використовують чи хімічно електрохімічно модифікований високоякісний MnО2, змішаний з вугільним порошком, а замість хлориду амонію застосовують більш дорогий хлорид цинку - такі елементи звичайно позначають як "heavy-duty", тобто підвищеної потужності. Тепер зрозуміло, чому різні елементи так сильно відрізняються за ціною і якістю.

У лужних елементах (їхнє масове виробництво почалося в 1950-і) електролітом служить цинкат калію K2Zn(OH) 4 у концентрованому розчині КОН;

Хлорид цинку - назва хімічних сполук з формулою ZnCl2 та його гідрати. Хлориди цинку, дев'ять з яких відомі у кристалічній формі, безбарвні або білі, та дуже добре розчинні у воді. ZnCl2 є гигроскопічним і навіть розпливається за рахунок поглинання вологи.
Безпере́рвне виробни́цтво - процес виготовлення продукції що здійснюється безперервно в умовах сукупності безперервних технологічних процесів, організованих в вигляді виробничої лінії, підрозділу, цеха або підприємства в цілому.
при цьому на катоді йде реакція MnО2 H2O e = MnOOH OH-. У лужних елементах (на них значиться "alkalіne") анод складається з дрібних цинкових гранул у гелі електроліту, поміщених у стаканчик-сепаратор. Він стосується внутрішньої стінки зовнішнього сталевого циліндра.

Якщо хімічне джерело струму зроблене якісно і не робить роботи (не включений ні в який електричний ланцюг), то напруга на ньому може не мінятися буквально століттями. Так, електричний дзвоник, що зберігається в музеї фізичних приладів Кларендонской фізичної лабораторії в Оксфорді, без усякої чи підзарядки зміни батареї, справно (і безупинно) працює від батареї гальванічних елементів уже понад півтора століття!

На відміну від гальванічних елементів, в акумуляторі (назва походить від латинського слова, що означає "нагромаджувати", "збирати") використовуються оборотні хімічні реакції. Так, при розряді найпоширенішого свинцевого акумулятора (їхнє світове виробництво перевищує 100 млн. у рік) йде реакція

PbО2 Pb 2H2SO4 = 2PbSO4 2H2O; у нікель-кадмієвому - 2NіOOH Cd = 2Nі(OH) 2 Cd(OH) 2

(аналогічна реакція йде в нікель-залізному акумуляторі); у срібно-цинковому
Ag2O Zn = Zn 2Ag;
при заряді всі ці реакції йдуть у зворотному напрямку. Тому акумулятор можна заряджати за допомогою зовнішнього джерела струму. Акумулятори (наприклад, для мобільного телефону) помітно дорожче гальванічних елементів.

Акумулятори дають приблизно таку ж напругу, як і гальванічні елементи. Так, найпоширеніший кислотний свинцевий акумулятор дає близько 2 В, лужний нікель-кадмієвий - близько 1,3 вольт, а нікель-залізний - близько 1,4 вольт. Такої напруги цілком достатньо для роботи кварцових годинників, але вже лампочка для кишенькового ліхтаря горіти від одного акумулятора не буде. Тому, як і гальванічні елементи, акумулятори для підвищення напруги з'єднують у батареї. Для живлення диктофона, плейера чи фотоапарата досить двох з'єднаних послідовно акумуляторів. На автомобілях з'єднують послідовно вже шість свинцевих акумуляторів; вони здатні короткочасно давати дуже великий струм, необхідний для запуску двигуна. Гальванічні елементи і батареї великих струмів давати не можуть. Акумулятори працюють також на космічних кораблях, в електромобілях і електрокарах, їх використовують для аварійного висвітлення.

У 1970 р. почались дослідження нового типу акумуляторів - нікель-гідридних, а в 80-і роки з'явилися перші робочі зразки, у яких струм генерувався в результаті реакції 2NіOOH H2 = 2Nі(OH) 2. При заряді водень знову виділявся. Тому що водень для таких акумуляторів знаходиться під великим тиском, блок з електродами поміщають у сталевий циліндр. Ці акумулятори запасали на 40% більше енергії (на одиницю маси), ніж нікель-кадмієві. Через високу вартість (тисячі доларів кожний) ці акумулятори застосовували насамперед там, де особливо важливі економія ваги, тобто в космічній техніці. В останні роки розроблені мініатюрні метал-гідридні

акумулятори; у них при заряді катіони водню в електроліті відновлюються, атоми водню дифундують у метал (звичайно використовуються интерметалічні склади) і утворюється гідрид. При розряді процес йде в зворотному напрямку. Перевагу таких акумуляторів може оцінити кожен власник мобільного телефону.

Про потенційні можливості акумуляторів говорить такий факт. У Західному Берліні, побоюючись відключення електроенергії владою ГДР (у 1961 році вже була почата спроба задушити місто блокадою), спорудили величезну акумуляторну батарею.

За́хідний Берлі́н (англ. West Berlin, фр. Berlin-Ouest, нім. West-Berlin) - особливе політичне утворення, що існувало з 1949 по 1990 рік на території американського, французького та британського секторів окупації Берліна.
Ця батарея масою 630 тон при потужності 17 мегават могла в разі потреби протягом години, до запуску аварійних електростанцій, постачати багатомільйонне місто електроенергією.

В останні десятиліття інтенсивні роботи ведуться по створенню й удосконаленню паливних елементів - пристроїв, що виробляють електроенергію за рахунок хімічної реакції між речовинами, що безупинно подаються до електродів ззовні. Окислювачем найчастіше слугує кисень, а паливом може бути, наприклад, водень. На базі таких елементів уже працюють дослідні електростанції.



  1   2   3


Скачати 257.66 Kb.

  • ВСТУП
  • 1. ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ І РОЗВИТКУ ХІМІЧНИХ ДЖЕРЕЛ СТРУМУ