Физико-химические исследования химических источников тока (хит) (гальванических элементов)

                  «МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(национальный исследовательский университет)» (МАИ) 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ РАБОТА 
 
 
 

  
 

       Физико-химические исследования химических источников тока (хит)

     (гальванических элементов)

                    
 
 

   
 

    

                           

Выполнила студентка гр.2О-106Б

И.C. Ткаченко 
 
 
 
 
 
 

Москва

2011 

            1.         ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 

Электрохимическими  процессами называют процессы взаимного  превращения химической и электрической  форм энергии.

Электрохимические процессы можно разделить на две  основные группы:

1) процессы превращения  химической энергии в электрическую  (в гальванических элементах); 2) процессы  превращения электрической энергии  в химическую (электролиз).

Простейшая электрохимическая  система состоит из двух электродов и ионного проводника между ними. Электроды замыкаются металлическим  проводником (проводником 1-го рода). Ионным проводником (проводником 2-го рода) служат растворы или расплавы электролитов, а также твердые электролиты. Электродами называют проводники, имеющие  электронную проводимость и находящиеся  в контакте с ионным проводником.

Количественные характеристики электрохимических процессов устанавливаются  законами Фарадея, открытыми в 1833 г. С учетом современной терминологии эти законы формулируются так:

Масса вещества, испытавшего  электрохимическое превращение  на электроде, прямо пропорциональна  количеству электричества, прошедшего через электролит.

При пропускании  одинакового количества электричества  через растворы или расплавы различных  электролитов массы веществ, выделяющихся на электродах, пропорциональны молярным массам их эквивалентов.

Экспериментально  установлено, что для выделения  на электроде одной молярной массы  эквивалента вещества В необходимо затратить одно и то же количество электричества, равное примерно 96500 Кл. Оно получило название постоянной Фарадея  F.

Оба закона Фарадея  можно объединить одной формулой: 

m(В) = = , 

где m(B) – масса вещества, окисленного или восстановленного на электроде, г; M_эк(В) – молярная масса эквивалентов вещества В, г/моль; Q – количество электричества, прошедшего через электролит, Кл. (Q = I×t, где I – сила тока, А; t – время, с).

Показателем эффективности  электролиза является выход по току h (%), определяемый как отношение массы вещества, фактически полученной в данных условиях, m_факт к массе вещества, теоретически вычисленной на основе закона Фарадея, m_теор:

h = %. 

химические источники  тока – обширный раздел электрохимии, посвященный вопросам разработки различных  систем гальванических элементов, батареек, аккумуляторов, топливных элементов, электрохимических генераторов, а  также технологии их изготовления. Назначение их крайне разнообразно –  от жизнеобеспечения космических станций, питания двигателей подводных лодок  и радиоаппаратуры, до питания наручных часов, фотоаппаратов, мобильных телефонов, видеотехники и т.д. В авиации применяются кислотные(свинцовые) и щелочные(серебряноцинковые, кадмиевоникелевые и др.) аккумуляторы .Исследование и разработка топливных элементов для автомобильной промышленности, для космических объектов и других объектов современной и будущей техники – важнейшие задачи электрохимической науки и технологии; 
 
 

2. Принцип образования двойного электрического слоя. 

Двойной электрический слой (межфазный) (ДЭС) — слой ионов, образующийся на поверхности частиц в результате адсорбции ионов из раствора, диссоциации поверхностного соединения или ориентировании полярных молекул на границе фаз. Ионы, непосредственно связанные с поверхностью называются потенциалопределяющими. Заряд этого слоя компенсируется зарядом второго слоя ионов, называемых противоионами. 

Механизм образования ДЭС 

Двойной электрический слой возникает при контакте двух фаз, из которых хотя бы одна является жидкой. Стремление системы понизить поверхностную энергию приводит к тому, что частицы на поверхности раздела фаз ориентируются особым образом. Вследствие этого контактирующие фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины, что приводит к образованию двойного электрического слоя. Можно выделить три механизма образования ДЭС:

Переход ионов или электронов из одной фазы в другую (поверхностная ионизация). Примером может служить диссоциация поверхностных функциональных групп, принадлежащих одной из фаз (как правило, твердой). Для определения знака заряда поверхности используется правило Фаянса — Панета

Преимущественная адсорбция в межфазном слое ионов одного знака.

Ориентирование полярных молекул в поверхностном слое. По этому механизму ДЭС образуется в случае, если вещества, составляющие фазы системы не могут обмениваться зарядами. Для определения знака заряда поверхности используют правило Кёна, гласящее, что из двух соприкасающихся фаз положительно заряжается та, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость. 

3.       Механизм возникновения  электродного потенциала

Теоретической основой  объяснения возникновения электродных  потенциалов является сольватационная теория Л.В.Писаржевского - Н.А.Изгарышева. Согласно этой теории при погружении металлической пластинки в раствор собственной соли имеют место два основных процесса. Первый процесс – это ионизация металла пластинки, где в узлах кристаллической решетки находятся ионы – атомы:

Ме ⇄ Меⁿ⁺ + nē

Ионизация происходит под действием полярных молекул  растворителя (воды). Образующиеся при  этом электроны концентрируются  на пластинке, заряжая ее отрицательно, а образующиеся катионы металла  переходят с пластинки в раствор  и концентрируются возле пластинки (рис.1).

Второй процесс – это взаимодействие молекул растворителя с ионами металла, т.е. сольватация образующихся ионов:                Меⁿ⁺ + mH₂O⇄ Меⁿ⁺ × mH₂O

При погружении пластинки металла в раствор вначале преобладает процесс ионизации металла:

Ме ® Меⁿ⁺ + nē

но со временем скорость прямой реакции уменьшается, а растет скорость обратной реакции:

   Меⁿ⁺ + nē ® Ме

пока между этими  процессами не установится динамическое равновесие:

Ме + mH₂O ⇄ Меⁿ⁺ × mH₂O + nē

или упрощенно                   Ме ⇄ Меⁿ⁺ + nē

При этом на границе  металл – раствор (твердая фаза –  жидкость) устанавливается равновесный  двойной электрический слой (ДЭС), т.е. упорядоченное распределение  противоположно заряженных частиц на границе раздела фаз (рис 1). ДЭС  будет соответствовать скачок потенциала называемый электродным потенциалом. Потенциал, возникающий в условиях равновесия электродной реакции, называется равновесным электродным потенциалом. Абсолютное значение электродного потенциала экспериментально определить невозможно. Однако можно определить разность электродных  потенциалов. Поэтому для характеристики электродных процессов пользуются относительными значениями электродных  потенциалов. Для этого находят  разность потенциалов измеряемого  электрода и электрода, потенциал  которого условно принимают равным нулю. На величину электродного потенциала влияют природа металла и растворителя. Чем меньше активность металла, тем  меньшее количество электронов образуется на пластинке и тем меньший  отрицательный заряд возникает  на ней. Например, отрицательный заряд  медной пластинки в растворе своей  соли будет меньше заряда цинковой пластинки, помещенной в раствор  собственной соли. Поэтому по отношению  к цинковой пластинке (более активный металл) заряд медной пластинки принято  считать «положительным». Кроме  природы металла электродный  потенциал зависит от  температуры, активности ионов металла в растворе, а также величины заряда иона металла  в растворе. Например, потенциал  железного электрода в растворе FeCl₃ будет больше потенциала этого же электрода в растворе FeCl₂.

Влияние всех перечисленных  факторов на величину электродного потенциала металлического электрода выражается уравнением Нернста: 

j = j⁰ + , 

где j⁰ _Меⁿ⁺_/Ме – стандартный электродный потенциал, значение которого определяется природой металла и растворителя, R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль×К; Т – температура в Кельвинах; n – заряд ионов металла; F – число Фарадея, равное 96500 Кл/моль; ln – натуральный логарифм; а_Меⁿ⁺ – активность (концентрация) потенциалопределяющих ионов металла в растворе, моль/л. 
 

                                             

                                         4.     Термодинамические характеристики ХИТ 

К термодинамическим  характеристикам ХИТ относятся  энергия Гиббса и Э.Д.С. (Е⁰,Дж), а также потенциалы электродов.

Энергия Гиббса токообразующей реакции (ΔG⁰) определяется из выражения

        (10)

где: - энергия Гиббса продуктов реакции;

- энергия Гиббса исходных веществ токообразующей реакции, которые называются активными материалами.

Стандартная электродвижущая  сила (Э.д.с.) ХИТ вычисляется по соотношению:

          (11)

где: F – число Фарадея (F = 96498 кулонов);

z – число электронов, участвующих в обмене электронами между окислителем и восстановителем.

Э.д.с. ХИТ по физическому смыслу есть разница равновесных потенциалов электродов, т. е.

.          (12)

Для рассмотренной  электрохимической системы потенциалы положительного и отрицательного определяются уравнением Нернста:

       (13)

        (14)

а э.д.с. ХИТ    
 

5.  Принцип устройства и работы ХИТ. 

Химические источники  тока (ХИТ) – это устройство для  прямого превращения химической энергии в электрическую. По сравнению  с сетью переменного тока, обеспечивающей более чем 99 % потребностей человечества в электроэнергии, ХИТ незаменимы как источники электропитания движущихся объектов (все виды транспорта, включая  подводные лодки и космические  объекты), переносных электронных приборов и бытовой техники (сотовая телефонная связь и компьютерная техника). Простота устройства (отсутствие движущихся и  вращающихся деталей) и технологии изготовления (штамповка, прессование, завальцовка) обеспечивают производство и потребление ХИТ разных типов миллионными тиражами. 
 

Химические источники  электрической энергии (химические источники или ХИТ) это устройства, в которых химическая энергия самопроизвольно протекающей реакции превращается в электрическую.

Первым условием работы химического источника тока является наличие окислителя и восстановителя (топлива). Но если в стакан с раствором  CuSO₄ опустить цинковую пластину или железный гвоздь, пойдёт самопроизвольная химическая реакция восстановления ионов меди и окисления цинка (или железа).