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)

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

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.

Двойной электрический слой, механизм возникновения и строение.

Электрохимические элементы. Электродвижущая сила. Термодинамика гальванического элемента. Измерение ЭДС.

При прохождении электрического тока через электролит на поверхности электродов протекают электрохимические реакции. Протекание электрохимических реакций может порождаться внешним источником тока. Возможно и обратное явление: электрохимические реакции, протекающие на двух электродах, опущенных в электролит, порождают электрический ток, причем реакции идут только при замкнутой цепи (при прохождении тока).

Электрохимическим (или гальваническим) элементом называется устройство для получения электрического тока за счет электрохимических реакций. Простейший электрохимический элемент состоит из двух металлических электродов (проводников первого рода), опущенных в электролит (проводник второго рода) и соединенных между собой металлическим контактом. Несколько электрохимических элементов, соединенных последовательно, образуют электрохимическую цепь .

Важнейшей количественной характеристикой электрохимического элемента является электродвижущая сила (ЭДС, Е), которая равна разности потенциалов правильно разомкнутого элемента (такого, у которого к конечным электродам элемента присоединены проводники первого рода из одного и того же материала).

Если при прохождении электрического тока в разных направлениях на поверхности электрода протекает одна и та же реакция, но в противоположных направлениях, то такие электроды, а также элемент или цепь, составленные из них, называются обратимыми . ЭДС обратимых элементов является их термодинамическим свойством, т.е. зависит только от Т,Р, природы веществ, составляющих электроды и растворы, и концентрации этих растворов. Пример обратимого элемента - элемент Даниэля-Якоби :

(-) Cu çZn çZnSO 4 ççCuSO 4 çCu (+)

в котором каждый электрод обратим. При работе элемента идут следующие реакции: Zn ® Zn 2+ + 2e , Cu 2+ + 2e ® Cu. При пропускании тока бесконечно малой силы от внешнего источника на электродах протекают обратные реакции.

Пример необратимого элемента - элемент Вольта :

(-) Zn ç H 2 SO 4 çCu (+)

При работе элемента протекают реакции: Zn ® Zn 2+ + 2e , 2H + + 2e ® H 2 . При пропускании тока от внешнего источника электродными реакциями будут: 2H + + 2e ® H 2 , Cu ® Cu 2+ + 2e .

ЭДС электрохимического элемента является величиной положительной, т.к. она соответствует определенному самопроизвольно протекающему процессу, дающему положительную работу. Обратному процессу, который не может протекать самостоятельно, отвечала бы отрицательная ЭДС. При составлении цепи электрохимических элементов процесс в одном из элементов можно направить так, чтобы он сопровождался затратой работы извне (несамопроизвольный процесс), используя для этого работу другого элемента цепи, в котором идет самопроизвольный процесс. Суммарная ЭДС любой цепи равна алгебраической сумме положительных и отрицательных величин. Поэтому очень важно при записи схемы цепи учитывать знаки ЭДС, пользуясь принятыми правилами.

ЭДС электрохимической цепи считается положительной , если при записи цепи правый электрод заряжен положительно относительно левого (катионы при работе цепи проходят в растворе от электрода, записанного слева, по направлению к электроду, записанному справа, и в этом же направлении движутся во внешней цепи электроны). Пример.

Простейшей окислительно-восстановительной системой является пластинка металла, погруженная в раствор соли этого металла. На границе металл-раствор происходит реакция:

Ме 0 – ne - → Me n +

Ионы металла с поверхности переходят в раствор, пластина заряжается отрицательно. За счет электростатического притяжения на границе металл-раствор концентрируются положительно заряженные ионы, т.е. образуется двойной электрический слой. Т.о. на границе металл-раствор возникает скачок потенциала или электродный потенциал .

Рассмотрим систему, состоящую из цинковой пластины в растворе ZnSO 4 и медной пластины в растворе CuSO 4 . Металлические пластины называются электродами.

На цинковом электроде идет реакция окисления (цинк достаточно активный металл, легко окисляется – см. ряд напряжения металлов, он составлен в порядке уменьшения активности металла, т.е. способности окисляться):

Zn − 2e - → Zn 2+

Цинковая пластина заряжается отрицательно. На границе металл –раствор возникает потенциал j(Zn 2+ /Zn).

На медной пластине идет реакция восстановления ионов из раствора (т.к. медь – пассивный металл, трудно окисляется, но легко восстанавливаются ионы меди):

Cu + 2e - → Cu 2+

Медная пластина заряжается положительно. На границе металл –раствор возникает потенциал j(Cu 2+ /Cu).

При соединений пластин металлическим проводником, а растворов – пористой перегородкой, в системе начинает протекать электрический ток. А полученная система есть простейший химический источник тока – гальванический элемент. Медно-цинковый элемент носит название элемент Даниэля-Якоби.

Гальванический элемент (г.э.) – устройство, в котором энергия окислительно-восстановительных реакций на электродах превращается в электрическую энергию. Получение полезной электрохимической работы в гальваническом элементе возможно за счет пространственного разделения процессов окисления и восстановления. Процесс в г.э. протекает самопроизвольно .

Электрод, на котором идет процесс окисления, называется анодом . Электрод, на котором идет процесс восстановления, называется катодом .

Если элемент Даниэля-Якоби присоединить к внешнему источнику тока, подать на цинковый электрод отрицательный потенциал, а на медный электрод положительный потенциал, то на электродах будут протекать процессы, противоположные самопроизвольным:

Zn 2+ + 2e - → Zn

Cu - 2e - → Cu 2+

В этом случае электрохимическая цепь будет называться электролитической ячейкой , и в ней будет протекать электролиз.

Электролиз – окислительно-восстановительная реакция на электродах, протекающая под действием электрического тока.

Анод и катод как в гальваническом элементе, так и в электролитической ячейке определяются по процессу , протекающему на электроде. Знаки же электродов в гальваническом элементе и при электролизе меняются на противоположные. Это легко увидеть на схемах электрохимических цепей. Слева обычно записывают анод. После разделительной черты указывают ион и его концентрацию (С 1) в прианодном пространстве. Далее двойная вертикальная черта, после нее концентрация иона (С 2) в прикатодном пространстве и материал катода.

Рассмотрим гальванический элемент Даниэля-Якоби. Он состоит из цинковой и медной пластин в растворах собственных солей. Анодом является цинковый электрод, катодом – медный электрод. Как указано выше, на границе металл-раствор возникает потенциал: j(Zn 2+ /Zn) – потенциал анода, j(Cu 2+ /Cu) – потенциал катода. Абсолютные потенциалы j(Zn 2+ /Zn) и j(Cu 2+ /Cu) измерить невозможно. А разность потенциалов определяют, подключив в цепь вольтметр. Измеренная экспериментально разность потенциалов между катодом и анодом составит Е = j(Cu 2+ /Cu) - j(Zn 2+ /Zn) = 1,1 В.

Разность потенциалов между катодом и анодом – электродвижущая сила гальванического элемента (ЭДС, Е).

Абсолютное значение потенциалов определить невозможно, однако для определения направления протекания реакции нужно иметь возможность рассчитать Е. Для того, чтобы иметь потенциалы различных электродов, используют электрод сравнения, относительно которого измеряют потенциалы всех других электродов. В качестве такого электрода сравнения выбран стандартный водородный электрод (СВЭ).

СВЭ представляет собой платиновую пластину, покрытую платиновой чернью, находящуюся в растворе серной кислоты с активностью водородных ионов, равной 1. На пластину подается ток водорода под давлением 1 атм. Водород адсорбируется на поверхности мелкодисперсной платины, в результате можно сказать, что пластина ведет себя так, как будто сделана из водорода. Т.е. на границе металл-раствор контактирует газ водород Н 2 и его окисленная форма – ионы Н + . Потенциал такого электрода j(Н + /Н 2) принят равным 0.

Рис. Стандартный водородный электрод.

Схема СВЭ: (р = 1 атм.) Н 2 , Pt / Н + (a = 1)

j(Н 2 /Н +) = 0 В.

Потенциалы различных металлов, экспериментально измеренные относительно СВЭ в стандартных условиях, называются стандартными электродными потенциалами и обозначаются j°(Me n+ /Me). (Обратим внимание, что при записи потенциала в числителе указывается окисленная форма, в знаменателе – восстановленная вне зависимости от процесса, происходящего на электроде. Это форма записи потенциалов.)

Значения таких потенциалов сведены в Таблицу стандартных электродных потенциалов, которую также называют Ряд напряжения металлов (см. табл. 1 в Приложении).

Охарактеризуем ряд напряжения металлов:

1) Потенциалы в ряду расположены в порядке их увеличения от отрицательных значений, через 0, соответствующий СВЭ, к положительным значениям. Электродный потенциал – мера окислительно-восстановительной способности вещества .

2) Чем выше металл в таблице, чем меньше его потенциал, тем выше его восстановительная способность.

3) Чем ниже металл в таблице, чем больше его потенциал, тем бóльшую окислительную способность имеет его ион . (Надо чет ко понимать, что металл как простое вещество – всегда является восстановителем – более сильным или слабым в зависимости от потенциала; а ион металла – это всегда окислитель, так же сильный или слабый в зависимости от потенциала).

4) Металл, расположенный выше в таблице, в гальваническом элементе является анодом, металл, расположенный ниже – катодом.

5) Металл, расположенный выше водорода, вытесняет его из кислот-неокислителей (HCl, HBr). Металл, расположенный ниже водорода – не вытесняет:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2

6) Металл, расположенный выше, вытесняет металл, расположенный ниже, из формул солей.

Использование: концентрационные источники тока. Сущность изобретения: электрохимический элемент содержит диэлектрический корпус с внутренним диаметром 5 мм, заполненный электролитом - 1,5 нормальным раствором (NH 4) 2 SO 4 , расположенный вертикально и снабженный теплоизоляцией, и индеферентные электроды в электролите на расстоянии 85 см. Внутри корпуса может быть расположен катализатор на основе платины. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в первичных химических источниках тока. Известен электрохимический элемент, включающий анод из щелочного металла, инертный электропроводящий катод и электролит на основе водного раствора гидроокиси щелочного металла Недостатком такого элемента является его невозобновляемость и экологическая загрязненность. Известен герметический химический источник тока, содержащий разнополярные электроды, разделенные сепаратором, электролит, корпус, уплотнительное кольцо и крышку Недостатком такого элемента является его невозобновляемость и сложность конструкции крышки. Наиболее близким по конструкции является герметический химический источник тока, содержащий разнополярные индиферентные электроды, разделенные сепаратором, электролит, корпус, уплотнительное кольцо и крышку Недостатком данного химическими элемента является его конечный срок службы, обусловленной разрушением основных его элементов, в основном электролита, что происходит в процессе его эксплуатации. Целью изобретения является устранение указанного недостатка, а именно создание возобновляемого химического источника электротока. Указанная цель достигается тем, что в электрохимическом источнике электротока (элемент), содержащем разнополярные индиферентные электроды и жидкий электролит, размещенные в корпусе, последний выполнен из диэлектрического материала в виде длинной трубки, в торцах которой закреплены электроды, устанавливаемой в рабочем положении строго вертикально. С целью получения экологически чистого химического источника тока в верхней части корпуса укрепляют пластину из платинированного асбеста, которая выполняет роль катализатора в химических реакциях, проходящих в среде электролита. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается выполнение корпуса в виде длинной трубки, в торцах которой укреплены электроды из индиферентного (инертного к проходящим химическим реакциям) материала, причем в рабочем положении корпус (трубка) должна быть укреплена строго вертикально. Обычно в известных электрохимических элементах одним из электродов (как правило "катодом") является корпус, материал которого участвует в химических реакциях (см. Дасоян М.А. и др. Производство электрических аккумуляторов М. 1965 или Топливные элементы. Под редакцией Г.Д. Инга, из-во И.А. М. 1963). Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение предлагаемого технического решения и с другими аналогичными решениями показывает, что пространственная ориентировка корпуса элемента строго вертикально не присуща ни одному из известных химических источников тока, которые, как правило, могут работать в любом положении, лишь были бы соблюдены условия, при которых было бы предотвращено вытекание электролита. В предлагаемом решении требование вертикального расположения корпуса (трубки) определяющее, так как в другом положении работа источника менее эффективная, а при горизонтальном положении трубки источник тока работать не будет. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". На фиг.1 изображен электрохимический элемент, продольный разрез; на фиг. 2 продольный разрез герметического электрохимического элемента. Электрохимический элемент состоит из корпуса 1, выполненного в виде длинной трубки. Материалом трубки должен быть любой диэлектрик, например стекло. Поперечное сечение трубки может представить собой любую геометрическую фигуру круг, квадрат и т.п. этот элемент неопределяющий. Торцы трубки 1 перекрываются заглушками 2, которые могут быть выполнены из того же материала, что и корпус 1, но может быть использован другой материал, например резина. В заглушках укреплены электроды 3, выполненные из индеферентного материала, например графита. В корпус 1 элемента заливается раствор электролита 4, например 1,5 нормальный раствор (NH 4) 2 SO 4 . Корпус 1, с целью исключения возникновения конвекционных потоков, покрывается еще одним слоем теплоизолятора 5 (стекловата, пенопласт и т.п.). В верхней заглушке 2 выполнено дренажное отверстие 6 (фиг.1) для выхода газообразных водорода и кислорода (продуктов реакции электрохимического разложения воды). Для электрического замыкания цепи служат проводники 7, которые подключают к элементу амперметр 8 через выключатель 9. В герметическом электрохимическом элементе в верхней части корпуса 1 укреплена пластина 10 (фиг. 2), выполненная из платинированного асбеста и служащая катализатором. Работает электрохимический элемент следующим образом. Молекула (NH 4) 2 SO 4 в водном растворе диссоцируют на положительные ионы NH 4 + и отрицательные ионы SO 4 - - , характер распределения которых по высоте трубки под действием гравитационного поля земли существенно отличается друг от друга. Диаметр гидратированного иона NH4+ составляет около 3,2 3,2, а молекулярная масса 18 у.е. Диаметр же гидратированного иона SO 4 - - составляет около 4,4 4,4, а молекулярная масса 96 у.е. Эти различия приводят к тому, что более тяжелые ионы SO 4 - - увеличивают свою концентрацию к нижней части трубки, в то время как ионы NH 4 + распределяются по высоте трубки более равномерно. Весь процесс пеpеpаспpеделения ионов в растворе с внутренним диаметром трубки 0,5 см и высотой 85 см при температуре в 20 о С занимает около суток. В результате этого между поверхностными и придонными слоями раствора появляется разность потенциалов около 0,05 В. Мощность такого электрохимического элемента составляет около 10 -8 Вт. При замыкании электрической цепи с помощью выключателя 9 по цепи электролит 4, электроды 3, проводники 7 и амперметр 8 пойдет электрический ток, который приведет к разложению электролита 4. В случае с раствором (NH 4) 2 SO 4 происходит разложение воды и выделении на верхнем электроде водорода, а на нижнем кислорода. Эти оба газа диффундируют через раствор электролита 4 и через отверстие 6 в верхней части корпуса выходят в атмосферу. При непрерывной работе данного элемента разложение 1 мл воды происходит через 310 6 ч. Добавление воды в раствор приводит элемент в первоначальное состояние. Соединение водорода с кислородом с образованием воды может происходить естественным образом или в присутствии катализаторов, а это указывает на возобновляемость элемента. В данной конструкции возможно использовать раствор любого электролита в любой концентрации, в том числе и смеси электролитов. Отличия будут заключаться только в величине разности потенциалов, силе тока и продуктах разложения электролиза. Увеличение мощности может быть достигнуто соединением нескольких элементов в батарею, увеличением высоты корпусов, либо их диаметров с одновременным увеличением площади контакта электродов 3 с электролитом 4. В качестве наиболее мощных источников тока могут использоваться природные растворы электролитов, каковыми являются морская вода и вода соленых озер. Благодаря большим глубинам и практически неограниченной массе электролита, используя при этом электроды большой площади, можно получать электроэнергию в количествах, достаточных для ее промышленного применения. В герметическом электрохимическом элементе используется пластина платинированного асбеста 10 (фиг.2), который является катализатором, на котором происходит соединение водорода с кислородом с образованием воды. Образованная вода выпадает в раствор и посредством диффузии равномерно распределяется в нем, при этом цикл превращений воды замыкается, элемент становится возобновляемым в полном смысле этого слова. В данном элементе можно использовать раствор любого электролита, при разложении которого выделяется водород и кислород это практически все кислородсодержащие кислоты, соли щелочных металлов этих кислот и щелочи. В случае работы с другими соединениями и выделения других продуктов электролиза, возможно применение иных катализаторов, возвращающих продукты электролиза в исходное состояние. Основным преимуществом данного элемента является его абсолютная экологическая чистота, простота изготовления и долговечность.

При прохождении электрического тока через раствор на поверхности электродов протекают электрохимические реакции , которые сопровождаются поступлением к электроду или уходу от него электронов. В обратных процессах электрохимические реакции, протекающие на поверхностях раздела проводников первого и второго рода, приводят к возникновению электрического тока.

Электрохимические процессы отличаются от обычных химических реакций рядом особенностей.

Химическая реакция возможна лишь при столкновении реагирующих частиц. Когда они вступают в контакт, становится возможным переход электронов от одной частицы к другой. Происходит ли такой переход в действительности, зависит от энергии частиц, их взаимной ориентации. Энергия активации зависит от природы химической реакции, и для ионных реакций она обычно невелика. Путь перехода электрона очень маленький, что также является особенностью химической реакции. Столкновения частиц могут происходить в любых точках реакционного пространства при различных взаимных положениях, поэтому электронные переходы могут осуществляться в произвольных направлениях, т.е. особенностями химического процесса является хаотичность столкновений и отсутствие направленности электронных переходов. В результате энергетические эффекты химических реакций проявляются в основном в форме теплоты (возможна также незначительная работа расширения).

Для того, чтобы энергетические изменения, соответствующие химическому превращению, проявлялись в виде электрической энергии, т.е. чтобы протекал электрохимический процесс, необходимо изменить условия проведения реакции.

Электрическая энергия всегда связана с прохождением электрического тока, т.е. потоком электронов в определенном направлении. Поэтому реакцию нужно проводить так, чтобы электронные переходы были не беспорядочными, а осуществлялись в одном направлении, а их путь должен быть значительно больше атомных размеров. Поэтому в электрохимических процессах переход электронов от одного участника к другому должен происходить на значительном расстоянии, для чего обязательно необходимым является пространственное разделение участников реакции. Однако одного пространственного разделения недостаточно, так как оно просто приведет к прекращению реакции.

Для проведения электрохимического процесса необходимы дополнительные условия: электроны должны отрываться от одних частиц и одним общим путем переходить к другим. Этого можно достичь, заменив непосредственный контакт между участниками реакции их контактом с двумя металлами, соединенными между собой металлическим проводником. Чтобы поток электронов был непрерывным, необходимо обеспечить также прохождение электрического тока и через реакционное пространство, которое обычно осуществляется самими участниками электрохимической реакции (если они находятся в ионизированном состоянии) или специальными соединениями с высокой ионной проводимостью.

Устройство для получения электрической энергии за счет электрохимических реакций называется электрохимическим (илигальваническим )элементом . Простейший электрохимический элемент состоит из двух металлических электродов (проводники первого рода), опущенных в раствор электролита (проводник второго рода).

Если при прохождении электрического тока в разных направлениях на поверхности электрода протекает одна и та же реакция, но в противоположных направлениях, то такие электроды, а также составленные из них электрохимические элементы, называются обратимыми . Примером обратимого элемента может служить элемент Даниэля – Якоби

(–) Zn | ZnSO 4 , р-р || CuSO 4 , р-р | Cu (+)

При работе такого элемента на электродах протекают электрохимические реакции:

Zn Zn 2 + + 2e

Cu 2 + + 2eCu

Суммарное уравнение реакции в элементе можно представить в виде

Zn + Cu 2 + Zn 2 + + Cu

При пропускании через элемент тока бесконечно малой силы от внешнего источника эти реакции протекают в противоположном направлении.

Примером необратимого элемента является элемент Вольта

(–) Zn | H 2 SO 4 | Cu (+)

При работе такого элемента на электродах протекают реакции:

Zn Zn 2 + + 2e

2H + + 2eH 2 ,

а реакция в элементе представляется уравнением

Zn + 2H + Zn 2+ + H 2

При пропускании тока от внешнего источника на электродах протекают другие реакции:

Cu Cu 2 + + 2e,

т.е. в электрохимическом элементе происходит растворение меди в серной кислоте с выделением водорода:

Cu + 2H +  Cu 2 + + H 2

Важнейшей характеристикой электрохимического элемента является его электродвижущая сила (ЭДС)E – разность потенциалов правильно разомкнутого элемента, т.е. разность потенциалов между концами проводников первого рода из одного и того же материала, присоединенных к электродам гальванического элемента. Другими словами, ЭДС представляет собой разность потенциалов в условиях равновесия, когда в цепи не протекает электрический ток. Если замкнуть электроды, то в цепи будет проходить электрический ток, и разность потенциалов представляетнапряжение электрохимического элемента, отличающегося от ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении элемента.