WinNavigator

Frigate

Norton Commander

WinNC

Dos Navigator

Servant Salamander

Turbo Browser

Winamp, Skins, Plugins

Необходимые Утилиты

Текстовые редакторы

Юмор

File managers and best utilites

Химические источники тока. Реферат химические источники тока

Реферат Химические источники тока

скачать

Реферат на тему:

План:

1 История создания
2 Принцип действия
3 Классификация
4 Некоторые виды химических источников тока
- 4.1 Гальванические элементы
- 4.2 Электрические аккумуляторы
- 4.3 Топливные элементы

Введение

Хими́ческий исто́чник то́ка (аббр. ХИТ) — источник тока, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

1. История создания

Вольтов столб

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia». Самый долгоживущий гальванический элемент - серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г. Подключенный к ней звонок работает и по сей день.

2. Принцип действия

Основу химических источников тока составляют два электрода (анод, содержащий окислитель, и катод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются:

в качестве восстановителя (на катоде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
в качестве окислителя (на аноде) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
в качестве электролита — растворы щелочей, кислот[1] или солей.

3. Классификация

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить;
электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;
топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные (например ртутно-цинковый элемент, ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор) и солевые (например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

4. Некоторые виды химических источников тока

4.1. Гальванические элементы

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Смотри также Категория:Гальванические элементы. Тип Катод Электролит Анод Напряжение,В

Марганцево-цинковый элемент	MnO2	KOH	Zn	1.56
Марганцево-оловянный элемент	MnO2	KOH	Sn	1.65
Марганцево-магниевый элемент	MnO2	MgBr2	Mg	2.00
Свинцово-цинковый элемент	PbO2	h3SO4	Zn	2.55
Свинцово-кадмиевый элемент	PbO2	h3SO4	Cd	2.42
Свинцово-хлорный элемент	PbO2	HClO4	Pb	1.92
Ртутно-цинковый элемент	HgO	KOH	Zn	1.36
Ртутно-кадмиевый элемент	HgO2	KOH	Cd	1.92
Окисно-ртутно-оловянный элемент	HgO2	KOH	Sn	1.30
Хром-цинковый элемент	K2Cr2O7	h3SO4	Zn	1.8—1.9

Другие типы:

Свинцово-плавиковый элемент
Медно-окисный гальванический элемент
Висмутисто-магниевый элемент
Ртутно-висмутисто-индиевый элемент
Литий-хромсеребряный элемент
Литий-висмутатный элемент
Литий-окисномедный элемент
Литий-йодсвинцовый элемент
Литий-йодный элемент
Литий-тионилхлоридный элемент
Литий-оксидванадиевый элемент
Литий-фторомедный элемент
Литий-двуокисносерный элемент
Диоксисульфатно-ртутный элемент
Серно-магниевый элемент
Хлористосвинцово-магниевый элемент
Хлорсеребряно-магниевый элемент
Хлористомедно-магниевый элемент
Йодатно-цинковый элемент
Магний-перхлоратный элемент
Магний-м-ДНБ элемент
Цинк-хлоросеребряный элемент
Хлор-серебряный элемент
Бром-серебряный элемент
Йод-серебряный элемент
Магний-ванадиевый элемент
Кальций-хроматный элемент

4.2. Электрические аккумуляторы

Электрический аккумулятор — химический источник тока многоразового действия (то есть в отличие от гальванического элемента химические реакции, непосредственно превращаемые в электрическую энергию, многократно обратимы). Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.

Смотри также Категория:Аккумуляторы.

Железо-воздушный аккумулятор
Железо-никелевый аккумулятор
Лантан-фторидный аккумулятор
Литий-железо-сульфидный аккумулятор
Литий-ионный аккумулятор
Литий-полимерный аккумулятор
Литий-фторный аккумулятор
Литий-хлорный аккумулятор
Литий-серный аккумулятор
Марганцево-оловянный элемент
Натрий-никель-хлоридный аккумулятор
Натрий-серный аккумулятор
Никель-кадмиевый аккумулятор
Никель-металл-гидридный аккумулятор
Никель-цинковый аккумулятор
Свинцово-водородный аккумулятор
Свинцово-кислотный аккумулятор
Свинцово-оловянный аккумулятор
Серебряно-кадмиевый аккумулятор
Серебряно-цинковый аккумулятор
Цинк-бромный аккумулятор
Цинк-воздушный аккумулятор
Цинк-хлорный аккумулятор

4.3. Топливные элементы

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Смотри также Категория:Топливные элементы.

Прямой метанольный топливный элемент
Твердооксидный топливный элемент
Щелочной топливный элемент

Примечания

В демонстрационных экспериментах зачастую используют плоды апельсина, яблоки и пр.

Литература

Дасоян М. А. Химические источники тока. — 2-е изд. — Л., 1969.
Романов В. В., Хашев Ю. М. Химические источники тока. — М., 1968.
Орлов В. А. Малогабаритные источники тока. — 2-е изд. — М., 1970.
Вайнел Д. В. Аккумуляторные батареи. — пер. с англ., 4-е изд. — М. — Л., 1960.
The Primary Battery / ed. G. W. Heise, N. C. Cahoon. — N. Y. — L., 1971 Т. v. 1.

wreferat.baza-referat.ru

Реферат Химический источник тока

скачать

Реферат на тему:

План:

1 История создания
2 Принцип действия
3 Классификация
4 Некоторые виды химических источников тока
- 4.1 Гальванические элементы
- 4.2 Электрические аккумуляторы
- 4.3 Топливные элементы

Введение

1. История создания

Вольтов столб

2. Принцип действия

В современных химических источниках тока используются:

в качестве восстановителя (на катоде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
в качестве окислителя (на аноде) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
в качестве электролита — растворы щелочей, кислот[1] или солей.

3. Классификация

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить;
электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;
топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

4. Некоторые виды химических источников тока

4.1. Гальванические элементы

Смотри также Категория:Гальванические элементы. Тип Катод Электролит Анод Напряжение,В

Марганцево-цинковый элемент	MnO2	KOH	Zn	1.56
Марганцево-оловянный элемент	MnO2	KOH	Sn	1.65
Марганцево-магниевый элемент	MnO2	MgBr2	Mg	2.00
Свинцово-цинковый элемент	PbO2	h3SO4	Zn	2.55
Свинцово-кадмиевый элемент	PbO2	h3SO4	Cd	2.42
Свинцово-хлорный элемент	PbO2	HClO4	Pb	1.92
Ртутно-цинковый элемент	HgO	KOH	Zn	1.36
Ртутно-кадмиевый элемент	HgO2	KOH	Cd	1.92
Окисно-ртутно-оловянный элемент	HgO2	KOH	Sn	1.30
Хром-цинковый элемент	K2Cr2O7	h3SO4	Zn	1.8—1.9

Другие типы:

Свинцово-плавиковый элемент
Медно-окисный гальванический элемент
Висмутисто-магниевый элемент
Ртутно-висмутисто-индиевый элемент
Литий-хромсеребряный элемент
Литий-висмутатный элемент
Литий-окисномедный элемент
Литий-йодсвинцовый элемент
Литий-йодный элемент
Литий-тионилхлоридный элемент
Литий-оксидванадиевый элемент
Литий-фторомедный элемент
Литий-двуокисносерный элемент
Диоксисульфатно-ртутный элемент
Серно-магниевый элемент
Хлористосвинцово-магниевый элемент
Хлорсеребряно-магниевый элемент
Хлористомедно-магниевый элемент
Йодатно-цинковый элемент
Магний-перхлоратный элемент
Магний-м-ДНБ элемент
Цинк-хлоросеребряный элемент
Хлор-серебряный элемент
Бром-серебряный элемент
Йод-серебряный элемент
Магний-ванадиевый элемент
Кальций-хроматный элемент

4.2. Электрические аккумуляторы

Смотри также Категория:Аккумуляторы.

Железо-воздушный аккумулятор
Железо-никелевый аккумулятор
Лантан-фторидный аккумулятор
Литий-железо-сульфидный аккумулятор
Литий-ионный аккумулятор
Литий-полимерный аккумулятор
Литий-фторный аккумулятор
Литий-хлорный аккумулятор
Литий-серный аккумулятор
Марганцево-оловянный элемент
Натрий-никель-хлоридный аккумулятор
Натрий-серный аккумулятор
Никель-кадмиевый аккумулятор
Никель-металл-гидридный аккумулятор
Никель-цинковый аккумулятор
Свинцово-водородный аккумулятор
Свинцово-кислотный аккумулятор
Свинцово-оловянный аккумулятор
Серебряно-кадмиевый аккумулятор
Серебряно-цинковый аккумулятор
Цинк-бромный аккумулятор
Цинк-воздушный аккумулятор
Цинк-хлорный аккумулятор

4.3. Топливные элементы

Смотри также Категория:Топливные элементы.

Прямой метанольный топливный элемент
Твердооксидный топливный элемент
Щелочной топливный элемент

Примечания

В демонстрационных экспериментах зачастую используют плоды апельсина, яблоки и пр.

Литература

Дасоян М. А. Химические источники тока. — 2-е изд. — Л., 1969.
Романов В. В., Хашев Ю. М. Химические источники тока. — М., 1968.
Орлов В. А. Малогабаритные источники тока. — 2-е изд. — М., 1970.
Вайнел Д. В. Аккумуляторные батареи. — пер. с англ., 4-е изд. — М. — Л., 1960.
The Primary Battery / ed. G. W. Heise, N. C. Cahoon. — N. Y. — L., 1971 Т. v. 1.

wreferat.baza-referat.ru

Химические источники тока

Реферат

«Химические источники тока»

Проверил:

ВВЕДЕНИЕ

Невозможно представить себе жизнь современного общества, не пользующегося химическими источниками тока (ХИТ). Действительно, ХИТ нашли широчайшее применение как автономные источники электрической энергии для питания радиоэлектронной аппаратуры, на транспорте, в космических объектах, в быту и т.д. Поэтому представляется интересным подробнее познакомиться с этими спутниками человека.

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

ХИТ - это устройство, в котором химическая энергия непосредственно превращается в электрическую. Основой работы ХИТ является химическая реакция взаимодействия окислителя и восстановителя. В процессе взаимодействия окислитель восстанавливаясь присоединяет электроны, а восстановитель окисляясь отдает электроны. Примером окислительно-восстановительной реакции является взаимодействие окиси серебра и цинка [1]:

Ag2O + Zn 2Ag + ZnO,

в ходе которой электроны переходят от цинка к ионам серебра, находящимся в кристаллической решетке окиси серебра.

Однако если смешать тонкие порошки окиси серебра и цинка, то никакой электрической энергии не образуется, поскольку электроны не перейдут во внешнюю цепь. Вся энергия данной реакции выделится в виде тепла. Для получения электрической энергии с помощью окислительно-восстановительной реакции необходимо провести ее более организованно. При этом главное внимание надо обратить на пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Для этого создаются два электрода различной природы, погруженные в электролит, который необходим для осуществления электрического контакта и предотвращения непосредственного электронного перехода. Электродами называют электронные проводники, имеющие вывод в гальваническом элементе и контактирующие с электролитом.

В рассматриваемом примере это может быть водный раствор щелочи. На границе раздела между электродом E и электролитом при погружении протекает электрохимическая реакция. На отрицательном электроде окисляется цинк:

Zn + 2OH- ZnO + h3O + 2e,

а на положительном восстанавливается окись серебра:

Ag2O +h3O + 2e 2Ag + 2OH-

Нетрудно заметить, что суммарной реакцией (2) и (3) является реакция (1).

По мере накопления электронов на цинковом электроде возникающий отрицательный заряд будет тормозить скорость реакции (2) в прямом направлении и увеличивать ее скорость в обратном направлении до тех пор, пока они не выравняются. Так как результирующим фактом реакции является поток электронов, то равенство скоростей в прямом и обратном направлениях можно отобразить силой тока, отнесенной к единице поверхности раздела (плотностью тока). Ее называют током обмена, и она характеризует кинетические возможности гальванического элемента. Аналогичная картина наблюдается и на окисно-серебряном электроде, но на нем возникает положительный заряд. Разность потенциалов положительного и отрицательного электродов элемента называют электродвижущей силой (ЭДС).

Если возникновение потенциалов на электродах осложнено течением побочных, более медленных электрохимических реакций, то возникающая разность потенциалов на гальваническом элементе будет меньше значения ЭДС и она в общем случае будет носить название напряжения разомкнутой цепи (НРЦ). Если теперь замкнуть элемент на внешнюю нагрузку L, то электроны будут перетекать с одного электрода на другой, значение их потенциалов изменится и станет возможным течение реакций (2) и (3) в прямом направлении.

Обе электродные реакции являются сопряженными - их скорости всегда равны, то есть количество электронов, высвобождаемых на цинковом электроде, равно количеству электронов, поглощаемых окисно-серебряным электродом. Ток во внешней цепи будет протекать до тех пор, пока не израсходуется активный материал одного из электродов. Напряжение гальванического элемента в данном случае будет определяться НРЦ, силой тока, сопротивлением нагрузки и так называемым внутренним сопротивлением элемента. В последнее входят следующие слагаемые: омические сопротивления электролита и активных масс электродов, а также поляризационные сопротивления. Падение напряжения на поляризационном сопротивлении обусловлено тем, что для обеспечения заданной скорости электродной реакции на поверхности раздела между электродом и электролитом необходимо создавать дополнительный скачок потенциала, способствующий увеличению скорости реакции в прямом направлении. В отличие от омических сопротивлений величина поляризационного сопротивления зависит от плотности тока.

Очевидно, что для повышения эффективности гальванического элемента необходимо максимально снизить величину внутреннего сопротивления. Для снижения омического сопротивления электролита подбирают такие состав и концентрацию, чтобы обеспечить его максимальную электропроводность. Расстояние между электродами стремятся сделать минимальными. На практике во избежание короткого замыкания электродов возникает необходимость использования сепараторов. В качестве материалов для них применяют пористые изоляционные материалы, химически инертные по отношению к электролиту и активным массам электродов. Подбор и изготовление сепаратора для длительно работающих ХИТ являются иногда очень сложной задачей. Настолько сложной, что успешное ее решение зачастую определяет успех создания ХИТ с требуемыми характеристиками. Если электрохимически активные вещества имеют низкую электропроводность, то в их состав вводят электропроводные добавки или наносят их на металлические сетки или пористые электропроводные каркасы. Для снижения поляризационного сопротивления используют такие материалы электродов или добавки в электролит, которые катализируют течение электродной реакции, то есть повышают величину плотности тока обмена. Если не удается подобрать такие вещества, используют пористые электроды с развитой поверхностью активных масс. Из сказанного ясно, что научные основы разработки и эксплуатации ХИТ находятся на стыке различных научных дисциплин: электрохимии, электротехники, физики твердого тела, материаловедения.

При выполнении технических задач ХИТ обычно оцениваются по следующим параметрам:

1) напряжение разомкнутой цепи. Если величина напряжения недостаточна, то проводится оценка количества последовательно включенных элементов в батарею, необходимого для получения требуемого напряжения;

2) удельная емкость, то есть количество электрической энергии (обычно в ампер-часах) на единицу веса или объема ХИТ;

3) удельная мощность, то есть произведение силы тока на напряжение, отнесенное к единице веса или объема ХИТ;

4) срок годности;

5) величина саморазряда, обусловленного наличием побочных электрохимических процессов на электродах, приводящих к расходованию активных масс (коррозия) и потере удельной емкости ХИТ;

6) стоимость.

Чем выше четыре первые характеристики и ниже пятая и шестая, тем более универсальное применение у данного ХИТ.

По принципам работы ХИТ разделяют на три группы: первичные, вторичные и топливные элементы. Первичные ХИТ (гальванические элементы) содержат активные вещества на электродах, а после их полного расходования источники прекращают свою работу и требуют замены новыми. Вторичные ХИТ (аккумуляторы) после расходования активных масс (разряда) могут быть приведены в рабочее состояние пропусканием электрического тока через элемент в обратном направлении. Возможность этого можно показать на разобранном выше примере элемента из цинка и окиси серебра. Если от внешнего источника подать на выход элемента напряжение, превышающее значение ЭДС, то электродные реакции (2) и (3) пойдут в обратном направлении, так как при новых значениях потенциалов величины их скоростей в обратном направлении будут больше, чем в прямом: под действием внешнего тока на электродах произойдет накапливание активных веществ. Если конструктивно и технологически построить элемент таким образом, что электроды будут работать обратимо, то он может работать непрерывно в течение многих циклов. Преимущество аккумуляторов перед первичными элементами заключается в том, что их активные вещества (нередко дорогостоящие) могут работать сотни и тысячи раз. Топливные элементы тоже относятся к первичным элементам, но конструктивно выполняются так, что активные вещества подаются, а продукты реакции отводятся по мере работы элемента. Для своей работы топливные элементы нуждаются в различных вспомогательных системах, обеспечивающих подготовку и подвод реагентов, отвод продуктов реакции, поддержание теплового режима, хранилище активных веществ. Поэтому их относят в отдельный тип ХИТ и рассматривают как электрохимические генераторы.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ХИТ

Весьма интересна история развития ХИТ [1]. До конца XVIII века единственным источником электрической энергии на практике были электрофорные машины, в основе которых лежало электростатическое индуцирование зарядов. Однако реализуемые искровые разряды обеспечивали ничтожные заряды порядка 10- 6-10- 4 кулон.

В 1786 году итальянский физиолог Л. Гальвани в своих известных опытах обнаружил, как он полагал, наличие "животного электричества". Если прикладывать к оголенному нерву лягушки два различных металла, то возникает мускульное сокращение, аналогичное тому, которое вызывается разрядом электрофорной машины. Правильное объяснение этого явления дал в 1794 году итальянский физик А. Вольта, указав, что причиной такого эффекта является контакт двух разнородных металлов с мускульной тканью. Основываясь на этом, Вольта в марте 1801 года сообщил о создании аппарата, производящего неистощимый заряд. Этот аппарат, названный вольтовым столбом, был первым химическим источником тока или гальванической батареей. В дальнейшем появились более совершенные образцы ХИТ.

Появление первых ХИТ открыло новую эру в учении об электричестве, так как дало возможность изучать законы непрерывного потока электрических зарядов, вследствие чего появилось понятие электрического тока. Уже в мае 1801 года У. Николсон и А. Карлейль обнаружили химическое действие тока, осуществив разложение воды. В 1807 году Х. Дэви впервые получил щелочные металлы электролизом расплавленных солей. В 1819 году Х. Эрстед наблюдал магнитное действие электрического тока. В дальнейшем были сформулированы основные законы электродинамики и электромагнетизма: взаимодействия электрических токов (А. Ампер, 1820), пропорциональности тока и напряжения (Г. Ом, 1827), электромагнитной индукции (М. Фарадей, 1831), теплового действия электрического тока (Д. Джоуль, 1843). Открытие этих законов стало возможным благодаря появлению ХИТ.

Бурное развитие теоретической и прикладной электротехники основывалось на использовании ХИТ и проходило параллельно с совершенствованием последних. Это привело к созданию в 1860 году принципиально нового источника электрической энергии - электромагнитного генератора. Вскоре выяснилось, что генераторы превосходят своих предшественников как по электрическим, так и по экономическим показателям. Именно генераторы сделали возможными развитие стационарных электрических сетей и широкое использование электроэнергии для промышленных и бытовых нужд. По этой причине к концу XIX века ХИТ потеряли свое значение единственного источника электроэнергии, но продолжали совершенствоваться и использоваться как автономные источники тока для средств связи и переносных приборов. Интересно отметить, что в то время существовали аккумуляторные электромобили, которые успешно конкурировали с еще несовершенными тогда автомобилями, использующими двигатели внутреннего сгорания.

Новый подъем интереса к ХИТ начался примерно с 1920 года в связи с широким развитием радиотехники. В течение почти двух десятилетий гальванические элементы и аккумуляторы были единственными источниками питания для радиоприемников. Увеличению интереса к ХИТ способствовало и развитие автомобильного транспорта, так как было необходимо наладить крупносерийное производство стартерных аккумуляторов. В те же годы начались серьезные исследовательские работы в области ХИТ. После второй мировой войны развитие современных электронных приборов, а также авиационной, ракетной и космической техники потребовало не только увеличения объема производства, но и резкого улучшения характеристик ХИТ. Поэтому последние два десятилетия продолжают появляться новые разновидности источников тока.

stud24.ru

Современные химические источники тока — реферат

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КНИТУ

КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Реферат на тему:

«Современные химические источники тока»

Выполнила:

ст. группы 4291-31

Токарева К.

Проверила:

Григорьева И. О.

Казань, 2013

Содержание

Введение (3)
Краткая теория химических источников тока (4)
Коммутация ХИТ (10)
Общие требования к химическим источникам тока (11)
Направления развития электрохимических систем (11)
Источники тока с цинковым анодом (12)

6.1 Марганцево-цинковые элементы (12)

6.2 Система Zn | Nh5Cl, ZnCl2 | MnO2 (элемент Лекланше) (13)

6.3 Система Zn | KOH | MnO2 (15)

6.4 Система Zn | NaOH | CuO (16)

6.5 Система Zn | KOH | HgO (17)

6.6 Система Zn | KOH | AgO (Ag2O) (18)

Система Pb | h3SO4 | PbO2 (свинцовый аккумулятор) (20)
Никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы Cd | KOH | NiOOH и Fe | KOH | NiOOH (22)
Никель-металлгидридный аккумулятор MH | KOH | NiOOH (24)
Первичные литиевые источники тока (27)

10.1 Система литий-вода (27)

10.2 Растворители и соли для литиевых источников тока (28)

10.3 Причины устойчивости литиевого электрода (30)

10.4 Система Li│LiBr│SO2 (31)

10.5 Система Li│LiAlCl4│SOCl2 (32)

Литиевые системы с твердым катодом (33)

11.1 Система Li│MnO2 (33)

11.2 Система Li│CuO (34)

11.3 Система Li│LiJ│J2 (35)

Литиевые аккумуляторы (36)
Марганцево-цинковые перезаряжаемые ХИТ (39)
Топливные элементы (41)
Электрохимические конденсаторы (43)
ХИТ для электромобиля (45)
Вывод (47)
Список используемой литературы (48)

1. Введение

Жизнь современного общества невозможно представить без использования ХИТ. Они нашли широчайшее применение как автономные источники электроэнергии для питания всевозможной электронной аппаратуры, компьютеров, радиотелефонов, часов и многого другого. Они незаменимы на транспорте, в автомобилях, в промышленности, в космических аппаратах, в военной технике и во многих других областях.

ХИТ – это устройство, в котором химическая энергия НЕПОСРЕДСТВЕННО превращается в электрическую энергию. Устройство для этого преобразования и будет называться «химическим источником тока» или «гальваническим элементом» или «электрохимическим элементом» или «электрохимической ячейкой». Все другие устройства предполагают ОПОСРЕДОВАННОЕ превращение химической энергии в электрическую энергию. Например, топливо сжигается, его химическая энергия превращается в тепло, за счет которого вода превращается в водяной пар, поток пара вращает турбину, которая генерирует электроэнергию.

Основой работы ХИТ является химическая реакция взаимодействия окислителя и восстановителя. В процессе взаимодействия окислитель, восстанавливаясь, присоединяет электроны, а восстановитель, окисляясь, отдает электроны. Чтобы энергия этой реакции не выделялась в виде тепла, а превращалась в электрическую энергию, процессы окисления и восстановления должны быть пространственно разделены. Электрохимическим методом можно также обратно преобразовать электрическую энергию в химическую и таким образом накапливать, аккумулировать электрическую энергию в химической форме. Перезаряжаемую электрохимическую ячейку многократного действия называют также «аккумулятор».

Простейшая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных проводником второго рода, т.е. ионным проводником или электролитом. Электролит необходим для предотвращения непосредственного перехода электронов от восстановителя к окислителю.

окислитель │ ионный проводник │ восстановитель

катод электролит анод

← ∆jк → ← ∆jа →

Электродом называют проводник первого рода, находящийся в контакте с ионным проводником. На границе между этими проводниками возникает скачок потенциала, называемый электродным потенциалом. Электрод, на котором протекает окисление восстановителя, называют анодом, электрод, на котором протекает восстановление окислителя – катодом. Совокупность окислителя, восстановителя и ионного проводника называется электрохимической системой.

По принципу работы ХИТ подразделяют на первичные, вторичные и топливные элементы. Первичные ХИТ (гальванические элементы) – одноразовые, содержат активные вещества в электродах, а после полного расходования активных веществ источники становятся неработоспособными и требуют замены новыми. Самыми распространенными являются гальванические элементы цинк-диоксидмарганцевой электрохимической системы:

(–) (анод) Zn │ Nh5Cl, h3O │ MnO2, смесь с углеродом (катод) (+)

или

(–) (анод) Zn │ КОН, Н2О │ MnO2, смесь с углеродом (катод) (+)

На отрицательном электроде (аноде) окисляется цинк

Zn + 2OH– → Zn(OH)2 + 2ē

На положительном электроде (катоде) восстанавливается диоксид марганца

2MnO2 + 2h3O + 2ē → 2MnOOH + 2OH–

Обе электродные полуреакции являются СОПРЯЖЕННЫМИ – их скорости всегда равны. Суммарная реакция называется ТОКООБРАЗУЮЩЕЙ:

Zn + 2MnO2 + 2h3O → Zn(OH)2 + 2MnOOH

При этом электроны переносятся через внешнюю цепь от анода к катоду, гидроксид-ионы движутся в растворе от катода, где они образуются, к аноду, где они расходуются, но суммарная их концентрация не меняется. Цинк окисляется – переходит из состояния со степенью окисления 0 в степень окисления +2, а марганец восстанавливается – переходит из четырехвалентного в трехвалентное состояние. Почти все используемые в быту гальванические элементы являются цинк-диоксидмарганцевыми.

Вторичные ХИТ (аккумуляторы) после разряда, т.е. после израсходования активных масс могут быть приведены в рабочее состояние пропусканием электрического тока через элемент в обратном направлении. Если в рассмотренном выше примере заменить диоксид марганца (который при определенных условиях тоже может обратимо работать в водном растворе) на оксид серебра Ag2O, мы получим цинк-серебряный аккумулятор, т.к. пара Ag2O/Ag способна к обратимому окислению-восстановлению в водном щелочном растворе. Токообразующая реакция имеет вид

разряд

Zn + Ag2O ↔ 2Ag + ZnO

заряд

2. Краткая теория химических источников тока

Термодинамика электрохимических элементов позволяет определить их электродвижущую силу E (ЭДС). ЭДС – это теоретическая разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами в отсутствие тока, т.е. когда элемент разомкнут. ЭДС однозначно связана с изменением энергии Гиббса токообразующей реакции

F = 96485 Кл/моль – число Фарадея, n – число электронов, участвующих в токобразующей реакции (для вышеприведенной реакций n = 2).

Температурный коэффициент ЭДС связан с изменением энтропии реакции

ЭДС равна разности равновесных электродных потенциалов двух электродов

Равновесный электродный потенциал зависит от природы электродной реакции, температуры и активностей растворенных или газообразных веществ в соответствии с уравнением Нернста для окислительно-восстановительной реакции

Например, для полуреакции на цинковом электроде равновесный потенциал равен

Реальная разность потенциалов электродов разомкнутого элемента, называемая напряжением разомкнутой цепи (НРЦ), может быть равна ЭДС, а может отличаться. Отличие обусловлено тем, что на электродах не устанавливаются равновесные потенциалы из-за протекания других (побочных) реакций, кроме основной реакции, для которой был проведен термодинамический расчет. Побочные реакции типично вредны, т.к. вызывают дополнительный расход реагентов и снижают напряжение элемента.

При подключении элемента к устройству нагрузки, т.е. при его замыкании на внешнюю нагрузку, образуется электрическая цепь

При этом напряжение изменяется, и изменяется тем в большей степени, чем больше сила тока, протекающего через элемент

где U – напряжение элемента, ∆e – поляризация элемента, J (или I)– сила тока, rвнутр – внутреннее сопротивление элемента. Таким образом, рабочее напряжение ХИТ всегда меньше, чем его ЭДС.

Поляризация ∆e может состоять в общем случае из электрохимической, химической и концентрационной составляющих:

Электрохимическая поляризация ∆eэл обусловлена замедленностью собственно электрохимической реакции. Концентрационная поляризация eконц вызывается замедленностью стадий подвода реагентов к электродам и отвода продуктов реакции. Химическая поляризация eхим возникает, если электродный процесс сложный и включает химические стадии. Общий путь снижения всех составляющих поляризации и повышения таким образом напряжения ХИТ – увеличение удельной поверхности электродов, увеличение температуры и концентрации реагентов, применение каталитически активных электродов.

referat911.ru

Химические источники тока — курсовая работа

Введение

Химические источники тока (ХИТ) – это устройства, в которых энергия химической реакции непосредственно превращается в электрическую энергию.

Основу химических источников тока составляют два электрода (анод, содержащий окислитель, и катод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В настоящее время ХИТ используются почти во всех областях техники и народного хозяйства. Количество отдельных первичных элементов и аккумуляторов, изготавливаемых ежегодно во всем мире, исчисляется миллиардами. Это обусловлено рядом их эксплуатационных преимуществ – независимостью от посторонних источников тепла или излучения, постоянной готовностью к действию. Работают бесшумно, широкие диапазоны электрической мощности.

Современное производство ХИТ представляет собой самостоятельную отрасль электротехнической промышленности. Отдельные типы ХИТ выпускаются в массовом масштабе на высокопроизводительном оборудование при высокой степени механизации и автоматизации.

1 История создания

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Он предложил идею батареи из медных и цинковых кружков, переложенных сукном или картоном, смоченным раствором гидроксида калия. Впоследствии названой «Вольтов столб» (рисунок 1) .

Рисунок 1 – «Вольтов столб»

В 1801 г. В.В.Петров в Петербургской медико-хирургической академии соорудил «Вольтов столб» из 4200 кружков, переложенных бумагой с раствором нашатыря, с помощью которого открыл и изучил явление электрической дуги.

В 1835 году М.Фарадей опубликовал «Некоторые практические указании по вопросу конструирования гальванической батареи и пользования ею».

В 1836 году появление элемента Даниэля-Якоби.

Рисунок 2 – Элемент Даниэля – Якоби.

Гальванический элемента Даниэль - Якоби (рис.2) состоит из медной пластины, погруженной в раствор CuS04, и цинковой пластины, погруженной в раствор ZnS04. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой. На поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Zn↔Zn2+ + 2e-

В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка. На поверхности медной пластины также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Cu↔Cu2+ + 2e-

Возникает электродный потенциал меди. Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, поэтому при замыкании внешней цепи, т. е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, электроны будут переходить от цинка к меди. В результате перехода электронов от цинка к меди равновесие на цинковом электроде сместится вправо, поэтому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместится влево и произойдет разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании внешней цепи возникают самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделения меди на медном электроде. Данные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы электродов или не растворится весь цинк (или не высадится на медном электроде вся медь).

Итак, при работе элемента Даниэля - Якоби протекают следующие процессы:

1) Реакция окисления цинка. Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называют анодами;

2) Реакция восстановления ионов меди. Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называют катодами;

3) Движение электронов во внешней цепи;

4) Движение ионов в растворе: анионов к аноду, катионов к катоду.

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, то есть электрический ток, поэтому суммарная химическая реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей.

После создания элемента Даниэль-Якоби количество предложенных вариантов первичных элементов начало бурно расти.

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Он предложил накапливать электрическую энергию с помощью двух свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты. Дальнейшее усовершенствование свинцовых аккумуляторов связано с работами Фора, начавшего в 1881 г. наносить на свинцовые пластины пасту из оксидов свинца, и Фолькнера, в 1884 г. заменившего свинцовые гладкие пластины свинцовыми решетками.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланшел предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В России первые аккумуляторы были изготовлены в Минном офицерском классе в Кронштадте в 1884 г. под руководством Η. Ф. Иорданского и Е. П. Тверитинова. До Великой Октябрьской социалистической революции промышленность ХИТ в России была представлена в основном мелкими предприятиями, более крупные из которых принадлежали иностранным фирмам. После Великой Октябрьской социалистической революции производство ХИТ пришлось создавать заново, и оно превратилось в крупную, хорошо развитую отрасль промышленности.

2 Основные характеристики ХИТ

Основные характеристики ХИТ — количество энергии, которое можно от них получить и напряжение, при котором они работают. Напряжение при разряде зависит от ЭДС применяемой электронной пары, от разности потенциалов электродов при отсутствии отбора от них тока, от поляризации электродов при работе (от изменений потенциалов электродов при отборе от них тока) и от падения напряжения на преодоление внутреннего омического сопротивления ХИТ. Величина ЭДС обусловлена свойствами активных материалов электродов, составом и концентрацией электролита и температурой ХИТ. С ростом температуры ЭДС, как правило, немного возрастает.

Напряжение при разряде Up:

Uр = E - Eпол (1)

где Е — ЭДС, В;

Eполр — поляризация электродов при разряде, В;

I — сила тока при разряде, А;

r — омическое сопротивление аккумулятора, Ом.

Напряжение разряда в сильной степени зависит от конструктивных и технологических особенностей источника тока, температуры и других многочисленных факторов.

Во время разряда ХИТ при постоянном токе и при неизменных прочих условиях обычно наблюдается постепенное снижение напряжения во времени. Типичные зависимости Uр(τ) – разрядные кривые.

Довольно быстрое падение напряжения часто наблюдается в самом начале разряда (особенно у свежезаряженных аккумуляторов). В таких случаях иногда условно за начальное напряжение Uнач принимают более устойчивое значение, измеренное через установленный промежуток времени.

Падение напряжения в конце разряда может быть резким или постепенным. После достижения определенного конечного напряжения Uкон разряд приходиться прекращать, даже если при этом реагенты еще не полностью не израсходованы. Конечное напряжение выбирают в зависимости от особенностей аппаратуры потребителя. Если допустимый диапазон напряжений мал, необходимо ограничивать глубину разряда источника тока.

Удобным для расчета электрической энергии является среднее напряжение U в данных условиях разряда, которое определяется как среднее арифметическое значение напряжений, измеренных через равные интервалы времени в течение разряда:

Напряжение при заряде U3:

Uз = E + Eпол +Ir

Поляризация при разряде возникает в силу ряда причин. Основная — это пассивация электродов, из-за которой при разряде потенциал положительного электрода становится отрицательнее, а отрицательного — положительнее, чем в отсутствие тока. Пассивация, в первую очередь, происходит из-за покрытия поверхности активных масс пленками, плохо проводящими ток. В ряде случаев (например, у железного электрода) это тончайшая пленка кислорода или оксидов, иногда пленка состоит из слоя трудно растворимых солей (например, в свинцовом аккумуляторе). Как известно из курса теоретической электрохимии, на потенциалы электродов и ЭДС влияет концентрация электролита, с которым соприкасаются электроды. При разрядах и зарядах ХИТ из-за участия ионов в химическом процессе и переносе тока часто происходит местное (локальное) изменение концентрации электролита непосредственно у поверхности электродов и в их порах. Эти изменения концентрации электродов изменяет их потенциалы: появляется концентрационная поляризация. При разряде она так же, как и пассивация, снижает напряжение ХИТ и при заряде увеличивает его. Если произошло общее изменение концентрации электролита в сосуде, то и после прекращении разряда в отсутствие тока ЭДС может быть ниже, чем была до разряда (например, в свинцовых аккумуляторах).

При заряде поляризацию, увеличение потенциалов электродов по сравнению с потенциалами в отсутствие тока, вызывают концентрационные явления (концентрационная поляризация) и необходимость преодолевать замедленный характер некоторых стадий электрохимического процесса (перенапряжение).

Чем большую плотность тока требуется создать на электродах, тем быстрее должны происходить процессы на них. Для ускорения процессов приходится затрачивать энергию, что и проявляется в возрастании потенциалов и напряжения.

Электрическая энергия, получаемая при разряде ХИТ, равна:

Максимальное количество электричества, которое ХИТ отдает при полном его разряде, называется разрядной емкостью С. Соответственно максимальная энергия, получаемая при полном разряде, называется энергозапасом. Естественно, что разрядная емкость и энергозапас зависят от количества реагентов, заложенных в источнике тока. Чем больше его количество, тем дольше может поддерживаться токообразующая реакция и тем больше емкость и энергозапас.

Под номинальной емкостью С0 и номинальным энергозапасом понимают параметры, относящиеся к номинальному режиму разряда и гарантируемые изготовителем.

3 Типы химических источников тока

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся:

гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить;

электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;

топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

3.1 Гальванический элемент

Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Гальванический элемент представляет собой замкнутую систему, состоящую из двух гальванических полуэлементов (гальванических пар).

Гальванические элементы – это источники тока, в которых вещества, образовавшиеся в процессе разряда, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Поэтому ГЭ – это первичные элементы, или ХИТ одноразового действия.

Активные компоненты закладываются в них заранее, и срок работы ГЭ определяется запасом активных компонентов. После расхода активных компонентов ГЭ выходит из строя.

Типы гальванических элементов

Стремление преодолеть трудности, вызванные утечкой раствора электролита из таких элементов, как элемент Даниэля - Якоби, послужило толчком к разработке сухих элементов. Удобство таких портативных источников тока заключается в том, что все их составные части представляют собой твердые или пастообразные вещества, упаковка которых предотвращает их попадание на окружающие предметы.

turboreferat.ru

Смотрите также

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..