Реферат: Химические способы аккумуляции энергии
H2 O = H2 + ½O2 .
Простейшая электролизная ячейка, как и элемент, состоит из двух электродов и ионного проводника (электролита) между ними. Под действием электрического тока на катоде ячейки идет электрохимическое восстановление окислителя, на аноде – электрохимическое окисление восстановителя. В электролите двигаются ионы между электродами.
Например, при электролизе воды в ячейке с щелочным электролитом на катоде идет реакция
2H2 O + 2e- = H2 + 2OH- ,
На аноде – реакция
2OH- - 2e- = ½O2 + H2 O.
В электролите (растворе KOH) гидроксид-ионы двигаются от катода к аноду.
г) электрохимический аккумулятор.
Устройство, в котором происходит как процесс преобразования химической энергии в электрическую, так и обратный процесс преобразования электрической энергии в химическую, получил название электрохимического аккумулятора или просто аккумулятора. Из определения следует, что аккумулятор сочетает в себе как гальванический элемент, так и электролизную ячейку. Процесс преобразования электрической энергии в химическую называется зарядом аккумулятора, в этом режиме аккумулятор работает как электролизная ячейка. В процессе заряда происходит накопление энергии в виде химической энергии окислителя и восстановителя. Процесс преобразования химической энергии в электрическую получил название разряда аккумулятора. В этом режиме аккумулятор работает как гальванический элемент. [4.]
Рассмотрим в качестве примера процессы в свинцовом аккумуляторе, электрохимическую систему которого можно представить в виде
(+) PbO2 | H2 SO4 | Pb(-).
Процесс заряда и разряда выражается следующим уравнением:
PbO2 + Pb + H2 SO4 = 2PbSO4 + 2H2 O
Уравнение реакции является суммой уравнений реакций, происходящих на положительном и отрицательном электродах аккумулятора.
(+) PbO2 + H2 SO4 + 2H+ + 2e- = 2PbSO4 + 2H2 O
(-) Pb + H2 SO4 – 2e- = PbSO4 + 2H+
Поскольку тема работы звучит как «Химические основы аккумуляции (т.е. накапливания) энергии», в дальнейшем будут рассмотрены именно аккумуляторы энергии.
2.3. Электрохимические аккумуляторы.
В настоящий момент в массовом масштабе выпускаются свинцовые, никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы, никель-цинковые и никель-водородные аккумуляторы.
2.3.1. Свинцовые аккумуляторы.
Первый действующий образец свинцового аккумулятора, созданный в 1859 г. французским исследователем Планте, состоял из двух свинцовых листов, разделенных полотняным сепаратором, свернутых в спираль и вставленных в банку с серной кислотой. При первом заряде на положительном электроде образовывался поверхностный слой двуокиси свинца. Для увеличения емкости аккумулятора проводился многократный его заряд и разряд; при этом происходило развитие поверхности электродов. В 1880 г. Фор предложил изготавливать электроды путем намазки на свинцовые листы пасты из окислов свинца и серной кислоты. За счет этого была значительно повышена емкость электродов. В 1881 г. Фолькмар предложил использовать в качестве основы пастированных пластин не листы, а свинцовую решетку; впоследствии, по патентуСелона, свинцовая решетка была заменена решеткой из более жесткого свинцово-сурьмяного сплава.[5]
Электрохимическая система свинцовых аккумуляторов состоит из диоксида свинца, свинца и раствора серной кислоты:
PbO2 | H2 SO4 | Pb\
Токообразующая реакция записывается уравнением
PbO2 + Pb + H2 SO4 = 2PbSO4 + 2H2 O
Стандартный потенциал свинцового электрода по отношению к водородному электроду равен – 0.356 В, диоксидсвинцового + 1.685 В. ЭДС аккумулятора, т.е. разность его потенциалов в отсутствие протекания тока во внешней цепи в зависимости от концентрации серной кислоты в электролите равна
E = 2.041 + 0.059 aH2SO4 /aH2O
Где а – активност0ь серной кислоты и воды соответственно.
В 37%-ном растворе серной кислоты Е = 2.12 В.