Меню

Где используется химическое действие электрического тока примеры



Химия и ток

Какими в будущем станут привычные нам аккумуляторы и другие источники питания

В современной жизни химические источники тока окружают нас повсюду: это батарейки в фонариках, аккумуляторы в мобильных телефонах, водородные топливные элементы, которые уже используются в некоторых автомобилях. Бурное развитие электрохимических технологий может привести к тому, что уже в ближайшее время вместо машин на бензиновых двигателях нас будут окружать только электромобили, телефоны перестанут быстро разряжаться, а в каждом доме будет свой собственный электрогенератор на топливных элементах. Повышению эффективности электрохимических накопителей и генераторов электроэнергии посвящена одна из совместных программ Уральского федерального университета с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН, в партнерстве с которыми мы публикуем эту статью.

На сегодняшний день существует множество разных типов батареек, среди которых все сложнее ориентироваться. Далеко не каждому очевидно, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора и почему водородный топливный элемент можно использовать, не опасаясь нанести вред окружающей среде. В этой статье мы расскажем о том, как для получения электроэнергии используются химические реакции, в чем разница между основными типами современных химических источников тока и какие перспективы открываются перед электрохимической энергетикой.

Химия как источник электричества

Сначала разберемся, почему химическую энергию вообще можно использовать для получения электричества. Все дело в том, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электронов между двумя разными ионами. Если две половины химической реакции разнести в пространстве, чтобы окисление и восстановление проходили отдельно друг от друга, то можно сделать так, чтобы электрон, который отрывается от одного иона, не сразу попадал на второй, а сначала прошел по заранее заданному для него пути. Такую реакцию можно использовать как источник электрического тока.

Впервые эта концепция была реализована еще в XVIII веке итальянским физиологом Луиджи Гальвани. Действие традиционного гальванического элемента основано на реакциях восстановления и окисления металлов с разной активностью. Например, классической ячейкой является гальванический элемент, в котором происходит окисление цинка и восстановление меди. Реакции восстановления и окисления проходят, соответственно, на катоде и аноде. А чтобы ионы меди и цинка не попадали на «чужую территорию», где они могут прореагировать друг с другом непосредственно, между анодом и катодом обычно помещают специальную мембрану. В результате между электродами возникает разность потенциалов. Если соединить электроды, например, с лампочкой, то в получившейся электрической цепи начинает течь ток и лампочка загорается.

Схема гальванического элемента

Основным недостатком гальванического элемента является ограниченное время его работы. Как только реакция пройдет до конца (то есть будет полностью израсходован весь постепенно растворяющийся анод), такой элемент просто перестанет работать.

Пальчиковые щелочные батарейки

Возможность перезарядки

Первым шагом к расширению возможностей химических источников тока стало создание аккумулятора — источника тока, который можно перезаряжать и поэтому использовать многократно. Для этого ученые просто предложили использовать обратимые химические реакции. Полностью разрядив аккумулятор в первый раз, с помощью внешнего источника тока прошедшую в нем реакцию можно запустить в обратном направлении. Это восстановит исходное состояние, так что после перезарядки батарею можно будет использовать заново.

Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор для мобильного телефона

Твердый электролит

В качестве другого менее очевидного способа повышения эффективности и безопасности батарей, химики предложили не ограничиваться в химических источниках тока жидкими электролитами, а создать полностью твердотельный источник тока. В таких устройствах вообще нет жидких компонентов, а есть слоистая структура из твердого анода, твердого катода и твердого же электролита между ними. Электролит при этом одновременно выполняет и функцию мембраны. Носителями заряда в твердом электролите могут быть различные ионы — в зависимости от его состава и тех реакций, которые проходят на аноде и катоде. Но всегда ими являются достаточно маленькие ионы, которые могут относительно свободно перемещаться по кристаллу, например протоны H + , ионы лития Li + или ионы кислорода O 2- .

Водородные топливные элементы

Возможность перезарядки и специальные меры безопасности делают аккумуляторы значительно более перспективными источниками тока, чем обычные батарейки, но все равно каждый аккумулятор содержит внутри себя ограниченное количество реагентов, а значит, и ограниченный запас энергии, и каждый раз аккумулятор необходимо заново заряжать для возобновления его работоспособности.

Чтобы сделать батарейку «бесконечной», в качестве источника энергии можно использовать не те вещества, которые находятся внутри ячейки, а специально прокачиваемое через нее топливо. Лучше всего в качестве такого топлива подойдет вещество, максимально простое по составу, экологически чистое и имеющееся в достатке на Земле.

Наиболее подходящее вещество такого типа — газообразный водород. Его окисление кислородом воздуха с образованием воды (по реакции 2H2 + O2 → 2H2O) является простой окислительно-восстановительной реакцией, а транспорт электронов между ионами тоже можно использовать в качестве источника тока. Протекающая при этом реакция является своего рода обратной реакцией к реакции электролиза воды (при котором под действием электрического тока вода разлагается на кислород и водород), и впервые такая схема была предложена еще в середине XIX века.

Но несмотря на то, что схема выглядит довольно простой, создать основанное на этом принципе эффективно работающее устройство — совсем не тривиальная задача. Для этого надо развести в пространстве потоки кислорода и водорода, обеспечить транспорт нужных ионов через электролит и снизить возможные потери энергии на всех этапах работы.

Принципиальная схема работы водородного топливного элемента

Водородный топливный элемент Toyota

Joseph Brent / flickr

Кроме реакции окисления водорода для топливных элементов предложено использовать и другие типы реакций. Например, вместо водорода восстановительным топливом может быть метанол, который кислородом окисляется до углекислого газа и воды.

Эффективность топливных элементов

Несмотря на все преимущества водородных топливных элементов (такие как экологичность, практически неограниченный КПД, компактность размеров и высокая энергоемкость), они обладают и рядом недостатков. К ним относятся, в первую очередь, постепенное старение компонентов и сложности при хранении водорода. Именно над тем, как устранить эти недостатки, и работают сегодня ученые.

Повысить эффективность топливных элементов в настоящее время предлагается за счет изменения состава электролита, свойств электрода-катализатора, и геометрии системы (которая обеспечивает подачу топливных газов в нужную точку и снижает побочные эффекты). Для решения проблемы хранения газообразного водорода используют материалы, содержащие платину, для насыщения которых предлагают использовать, например, графеновые мембраны.

В результате удается добиться повышения стабильности работы топливного элемента и времени жизни его отдельных компонентов. Сейчас коэффициент преобразования химической энергии в электрическую в таких элементах достигает 80 процентов, а при определенных условиях может быть и еще выше.

Огромные перспективы водородной энергетики связывают с возможностью объединения топливных элементов в целые батареи, превращая их в электрогенераторы с большой мощностью. Уже сейчас электрогенераторы, работающие на водородных топливных элементах, имеют мощность до нескольких сотен киловатт и используются как источники питания транспортных средств.

Альтернативные электрохимические накопители

Помимо классических электрохимических источников тока, в качестве накопителей электроэнергии используют и более необычные системы. Одной из таких систем является суперконденсатор (или ионистор) — устройство, в котором разделение и накопление заряда происходит за счет образования двойного слоя вблизи заряженной поверхности. На границе электрод-электролит в таком устройстве в два слоя выстраиваются ионы разных знаков, так называемый «двойной электрический слой», образуя своеобразный очень тонкий конденсатор. Емкость такого конденсатора, то есть количество накопленного заряда, будет определяться удельной площадью поверхности электродного материала, поэтому в качестве материала для суперконденсаторов выгодно брать пористые материалы с максимальной удельной площадью поверхности.

Ионисторы являются рекордсменами среди зарядно-разрядных химических источников тока по скорости заряда, что является несомненным преимуществом данного типа устройств. К сожалению, они также являются рекордсменами и по скорости разряда. Энергоплотность ионисторов в восемь раз меньше по сравнению со свинцовыми аккумуляторами и в 25 раз меньше по сравнению с литий-ионными. Классические «двойнослойные» ионисторы не используют электрохимическую реакцию в своей основе, и к ним наиболее точно применим термин «конденсатор». Однако в тех вариантах исполнения ионисторов, в основе которых используется электрохимическая реакция и накопление заряда распространяется в глубину электрода, удается достичь более высоких времен разрядки при сохранении быстрой скорости заряда. Усилия разработчиков суперконденсаторов направлены на создание гибридных с аккумуляторами устройств, сочетающих в себе плюсы суперконденсаторов, в первую очередь высокую скорость заряда, и достоинства аккумуляторов — высокую энергоемкость и длительное время разряда. Представьте себе в ближайшем будущем аккумулятор-ионистор, который будет заряжаться за пару минут и обеспечивать работу ноутбука или смартфона в течение суток или более!

Читайте также:  Что будет если пропустить ток через растение 1

Несмотря на то, что сейчас плотность энергии суперконденсаторов пока в несколько раз меньше плотности энергии аккумуляторов, их используют в бытовой электронике и для двигателей различных транспортных средств, в том числе и в самых современных разработках.

Таким образом, на сегодня существует большое количество электрохимических устройств, каждое из которых перспективно для своих конкретных приложений. Для повышения эффективности работы этих устройств ученым необходимо решить ряд задач как фундаментального, так и технологического характера. Большинством этих задач в рамках одного из прорывных проектов занимаются в Уральском федеральном университете, поэтому о ближайших планах и перспективах по разработке современных топливных элементов мы попросили рассказать директора Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, профессора кафедры технологии электрохимических производств химико-технологического института Уральского федерального университета Максима Ананьева.

N + 1: Ожидается ли в ближайшем будущем какая-то альтернатива наиболее популярным сейчас литий-ионным аккумуляторам?

Максим Ананьев: Современные усилия разработчиков аккумуляторов направлены на замену типа носителя заряда в электролите с лития на натрий, калий, алюминий. В результате замены лития можно будет снизить стоимость аккумулятора, правда при этом пропорционально возрастут массо-габаритные характеристики. Иными словами, при одинаковых электрических характеристиках натрий-ионный аккумулятор будет больше и тяжелее по сравнению с литий-ионным.

Кроме того, одним из перспективных развивающихся направлений совершенствования аккумуляторов является создание гибридных химических источников энергии, основанных на совмещении металл-ионных аккумуляторов с воздушным электродом, как в топливных элементах. В целом, направление создания гибридных систем, как уже было показано на примере суперконденсаторов, по-видимому, в ближайшей перспективе позволит увидеть на рынке химические источники энергии, обладающие высокими потребительскими характеристиками.

Уральский федеральный университет совместно с академическими и индустриальными партнерами России и мира сегодня реализует шесть мегапроектов, которые сфокусированы на прорывных направлениях научных исследований. Один из таких проектов — «Перспективные технологии электрохимической энергетики от химического дизайна новых материалов к электрохимическим устройствам нового поколения для сохранения и преобразования энергии».

Группа ученых стратегической академической единицы (САЕ) Школа естественных наук и математики УрФУ, в которую входит Максим Ананьев, занимается проектированием и разработкой новых материалов и технологий, среди которых — топливные элементы, электролитические ячейки, металлграфеновые аккумуляторы, электрохимические системы аккумулирования электроэнергии и суперконденсаторы.

Исследования и научная работа ведутся в постоянном взаимодействии с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН и при поддержке партнеров.

Какие топливные элементы разрабатываются сейчас и имеют наибольший потенциал?

Одними из наиболее перспективных типов топливных элементов являются протонно-керамические элементы. Они обладают преимуществами перед полимерными топливными элементами с протонно-обменной мембраной и твердооксидными элементами, так как могут работать при прямой подаче углеводородного топлива. Это существенно упрощает конструкцию энергоустановки на основе протонно-керамических топливных элементов и систему управления, а следовательно, увеличивает надежность работы. Правда, такой тип топливных элементов на данный момент является исторически менее проработанным, но современные научные исследования позволяют надеяться на высокий потенциал данной технологии в будущем.

Какими проблемами, связанными с топливными элементами, занимаются сейчас в Уральском федеральном университете?

Сейчас ученые УрФУ совместно с Институтом высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) Уральского отделения Российской академии наук работают над созданием высокоэффективных электрохимических устройств и автономных генераторов электроэнергии для применений в распределенной энергетике. Создание энергоустановок для распределенной энергетики изначально подразумевает разработку гибридных систем на основе генератора электроэнергии и накопителя, в качестве которых выступают аккумуляторы. При этом топливный элемент работает постоянно, обеспечивая нагрузку в пиковые часы, а в холостом режиме заряжает аккумулятор, который может сам выступать резервом как в случае высокого энергопотребления, так и в случае внештатных ситуаций.

Наибольших успехов химики УрФУ и ИВТЭ достигли в области разработки твердо-оксидных и протонно-керамических топливных элементов. Начиная с 2016 года на Урале вместе с ГК «Росатом» создается первое в России производство энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработка уральских ученых уже прошла «натурные» испытания на станции катодной защиты газотрубопроводов на экспериментальной площадке ООО «Уралтрансгаз». Энергоустановка с номинальной мощностью 1,5 киловатта отработала более 10 тысяч часов и показала высокий потенциал применения таких устройств.

В рамках совместной лаборатории УрФУ и ИВТЭ ведутся разработки электрохимических устройств на основе протонпроводящей керамической мембраны. Это позволит в ближайшем будущем снизить рабочие температуры для твердо-оксидных топливных элементов с 900 до 500 градусов Цельсия и отказаться от предварительного риформинга углеводородного топлива, создав, таким образом, экономически эффективные электрохимические генераторы, способные работать в условиях развитой в России инфраструктуры газоснабжения.

Источник

Действия электрического тока

Мы не обладаем возможностью увидеть электроны, бегущие по проводнику. Как же тогда можно обнаружить ток в проводнике? Наличие электрического тока можно обнаружить по косвенным признакам. Так как, ток, протекая по проводнику, оказывает воздействие на него.

Вот некоторые из признаков:

  1. тепловой;
  2. химический;
  3. магнитный.

Тепловое действие тока

Благодаря такому действию тока мы можем освещать помещения с помощью ламп накаливания. А, так же, используем различные нагревательные электроприборы – конвекторы, электроплиты, утюги (рис. 1).

Используя метровый кусок никелиновой проволоки (рис. 2), можно продемонстрировать нагревание проводника при протекании по нему электрического тока. Для заметного провисания нагретой проволоки из-за теплового увеличения длины и наблюдения красноватого ее свечения будет достаточно тока в 2 — 3 Ампера.

Кусок провода нагревается, когда по нему протекает электрический ток. Чем больше ток в проводнике, тем больше он нагреется. Длина нагретого проводника увеличивается.

Подробнее о выделившемся количестве теплоты можно прочитать в статье о законе Джоуля-Ленца (ссылка).

Примечание: Нихром, никелин, константан – сплавы металлов, обладающие большим удельным сопротивлением (ссылка). Проволоки, изготовленные из таких сплавов, используются в различных нагревательных электроприборах.

Химическое действие тока

Электрический ток, проходя через растворы некоторых кислот, щелочей или солей, вызывает выделение из них вещества. Это вещество осаждается на электродах – пластинках, опущенных в раствор и подключенных к источнику тока.

Такое действие тока используют в гальванопластике – покрытии металлом некоторых поверхностей. Применяют никелирование, омеднение, хромирование, а, так же, серебрение и золочение поверхностей.

С помощью раствора медного купороса можно продемонстрировать выделение вещества под действием тока. Водный раствор этой соли имеет голубоватый оттенок. Пропуская электрический ток (ссылка) через раствор, можно обнаружить выделение меди на одном из электродов (рис. 3).

На каком электроде будет выделяться медь

Медь в растворе купороса присутствует в виде положительных ионов. Тела, имеющие разноименные заряды, притягиваются. Поэтому, ионы меди будут притягиваться к пластинке, имеющей заряд со знаком «минус». То есть, пластинке, подключенной к отрицательному выводу источника тока. Такую пластинку называют отрицательным электродом, или катодом.

Вторую пластинку, подключенную к положительному выводу батареи, называют анодом.

Примечание: Медный купорос можно найти в хозяйственном магазине. Его химическая формула \(\large CuSO_<4>\). Он используется в сельском хозяйстве для опрыскивания листвы плодовых деревьев, кустарников и овощных культур – к примеру, томатов, картофеля. Входит в составы различных растворов, применяемых в борьбе с болезнями растений и насекомыми-вредителями.

Применение химического действия тока в медицине

Химическое действие тока применяют не только в гальванопластике.

Пропускание электрического тока через растворы вызывает в них движение заряженных частиц вещества – положительных и отрицательных ионов. Человеческое тело содержит жидкости, в которых растворены некоторые вещества. А значит, в таких жидкостях присутствуют ионы.

Прикладывая специальные электроды, смоченные растворами лекарств на отдельные участки тела, и пропуская через них маленькие токи, можно вводить в организм некоторые лекарственные препараты (рис. 4).

Химическое действие тока применяют в медицине

Такое введение лекарств называют электрофорезом и используется в физиопроцедурных кабинетах поликлиник и санаториев.

Магнитное действие тока

Медь сама по себе не притягивается к магниту. В этом можно убедиться с помощью небольшого магнита и кусочка медного провода (рис. 5а).

На рисунке 5 кусок медного провода подвешен к двум штативам с помощью тонких нитей, не проводящих электрический ток.

Однако, во время протекания электрического тока, медный проводник начинает взаимодействовать с магнитом — притягиваться, или отталкиваться от него (рис. 5б).

С магнитом взаимодействует не сам медный проводник, а ток, протекающий по этому проводнику.

Почему проводок с током взаимодействует с магнитом

Электрический ток — это большое количество электронов, бегущих по проводку от одного его края к другому краю. Электроны обладают зарядом.

Вокруг движущихся зарядов возникает магнитное поле. Благодаря этому проводок с током превращается в маленький магнитик. И начинает взаимодействовать с магнитом, притягиваясь к нему, или отталкиваясь от него.

Читайте также:  Что будет если проводить электролиз переменным током

При этом, проводок, как более легкий предмет, будет двигаться. А магнит продолжит оставаться на месте. Из-за того, что его масса значительно больше массы кусочка провода.

Направление движения проводка зависит от полярности его подключения к батарейке и, от того, как располагаются полюса магнита.

На магнитном действии тока основано действие электромагнита.

Самодельный электромагнит

Его легко изготовить из куска гибкой изолированной медной проволоки и железного гвоздя.

Гвоздь нужно обернуть кусочком бумаги – гильзой (рис. 6). Затем на гильзу нужно намотать 200 – 300 витков тонкого медного провода в изоляции. К выводам полученной катушки нужно подключить батарейку от карманного электрического фонаря.

Во время протекания тока, к гвоздю притягиваются различные мелкие железные предметы – скрепки, кнопки, гвоздики, железные стружки, опилки и т. п.

Отсоединив батарейку, увидим, что как только ток прекращается, гвоздь перестает притягивать к себе железные предметы.

Рамка с током и подковообразный магнит

Провод, обладающий достаточной жесткостью, можно изогнуть в виде плоской фигуры – прямоугольника, квадрата, окружности. Эластичные же провода навивают на жесткий каркас, изготовленный из подходящего материала – фанеры, картона, пластмассы и т. д. Такой изогнутый провод образует рамку. Проволочную рамку часто называют контуром.

Проволочная рамка, по которой течет электрический ток, может ориентироваться в магнитном поле.

Чтобы убедиться в этом, проведем такой эксперимент. Используем для него подковообразный магнит и проводник, изогнутый в виде прямоугольной рамки. Подвесим рамку к лапке штатива с помощью нити. Размеры рамки нужно выбрать так, чтобы она поместилась между полюсами магнита.

Сначала используем только подвешенную рамку (рис. 7а), без магнита. Подключим к рамке источник тока. Можно убедиться, что после подключения тока рамка продолжает висеть неподвижно. Отключим источник тока.

Теперь поместим магнит так, чтобы рамка находилась между его полюсами (рис. 7б) и, пропустим по цепи электрический ток. Легко заметить, что во время протекания тока рамка поворачивается и ориентируется по магнитному полю. А когда цепь размыкается, рамка возвращается в первоначальное положение.

Примечание: Если изменить полярность подключения источника к рамке, то она будет поворачиваться в противоположную сторону.

Замечательное свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле, используют в различных измерительных приборах. Один из таких приборов – гальванометр.

Устройство гальванометра

Гальванометром прибор назвали в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани. Этот прибор способен измерять маленькие электрические токи (постоянные).

На схемах прибор обозначают кружком, внутри которого расположена большая латинская буква G. На некоторых схемах внутри круга находится стрелка, направленная вертикально вверх.

  • подковообразный магнит и
  • находящуюся внутри него рамку, содержащую витки тонкого медного провода (рис. 8).

Подвижная рамка находится на оси и может вокруг нее поворачиваться.

К рамке прикреплена стрелка. Она указывает, на какой угол рамка повернулась во время протекания в ней электрического тока.

Угол поворота отмечают по делениям шкалы.

Кто такой Луиджи Гальвани

Гальвани был одним из основателей учения об электричестве.

Обнаружил, что в местах контакта различных видов металлов возникает электрическое напряжение.

Проводил опыты с использованием железного ключа и серебряной монеты.

Изучал сокращения мышц под воздействием электричества и пришел к выводу, что мышцы управляются электрическими импульсами, поступающими по нервным волокнам из мозга.

В итальянском городе Болонья неподалеку от здания Болонского университета находится памятник Гальвани. Он находится на площади Piazza Luigi Galvani, носящей имя ученого.

В его честь, так же, назвали один из кратеров на обратной стороне Луны.

А Болонский лицей назван именем Гальвани еще с 1860-го года.

О приборах магнитоэлектрической системы

Такие приборы, содержащие проводящую рамку и небольшой магнит, называют приборами магнитоэлектрической системы. Они получили широкое распространение из-за своего сравнительно простого устройства.

Шкалы приборов можно градуировать в различных единицах измерения, в зависимости от измеряемых физических величин. На основе таких приборов изготавливают вольтметры, амперметры, омметры и т. п.

Источник

Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа

Химические источники тока (ХИТ) — эта тема имеет высокое практическое значение. Это кардиостимуляторы, электромобили, которые пытаются сохранить экологию, портативные устройства, включая фото и видеотехнику, компьютерную технику, навигаторы. За последние годы прогресс химических источников тока произошел большой, от известных свинцовых аккумуляторов, которые постепенно вытесняются литий-ионными, литий-полимерными и другими аккумуляторами.

В этой области борьба идет за мощность, емкость, которая позволяет максимально долго использовать источники тока. Дополнительным стимулом к их развитию является создание гибких источников тока. Научная составляющая в этой области лежит в плане разработки материалов для таких химических элементов.

Устройство и работа

Химические источники тока состоят из электродов и электролита, который находится в емкости. Электрод, на котором окисляется восстановитель, называется анодом. Электрод, на котором восстанавливается окислитель, называется катодом. В общем получается электрохимическая система.

Попутным результатом такой реакции стало возникновение тока. Восстановитель передает электроны на окислитель, который восстанавливается. Электролит, который находится между электродами, нужен для прохождения реакции. Если перемешать порошки различных двух металлов, то электричество не возникнет, энергия появится в виде теплоты. Электролит необходим для упорядочения процесса движения электронов. Электролит состоит обычно из раствора соли или расплавленного вещества.

Электроды имеют вид решеток или пластин из металла. При помещении их в раствор электролита получается разность потенциалов пластин. Анод отдает электроны, а катод их принимает. На поверхности возникают химические реакции. Когда цепь размыкается, то реакции прекращаются. Если реагенты закончились, то реакция также больше не идет. Если удалить один из электродов, то цепь размыкается.

Khimicheskie istochniki toka foto 1

Из чего состоят химические источники тока

В качестве окислителей применяются соли и кислородосодержащие кислоты, а также нитроорганические вещества, кислород. В качестве восстановителей применяются металлы, оксиды, углеводороды.

Электролит может состоять из:
  • Соли, щелочи и кислоты, растворенные в воде.
  • Соли в растворе, с возможностью электронной проводимости.
  • Расплавленные соли.
  • Твердые вещества с подвижным ионом.
  • Электролиты в виде матрицы. Это растворы жидкости, расплавы, которые находятся в порах электроносителя.
  • Электролиты с ионным обменом. Твердые вещества с закрепленными ионогенными группами, с одним знаком. С другим знаком ионы подвижны. Эта характеристика позволяет создать однополярную проводимость.

Khimicheskie istochniki toka foto 2

Гальванические элементы

Напряжение на ячейке составляет 0,5-4 вольта. В химических образцах источника применяют гальваническую батарею, которая состоит из элементов. Может использоваться параллельная схема нескольких элементов. При последовательной схеме в цепь включены одинаковые батареи. Они должны обладать одинаковыми свойствами, с одной конструкцией, технологией, типоразмером. Для схемы параллельного соединения подойдут элементы с различными свойствами.

Khimicheskie istochniki toka foto 3

Классы
Химические источники тока делятся по следующим свойствам:
  • Размерности.
  • Конструктивным особенностям.
  • Применяемым химическим веществам.
  • Источнику реакции.

Эти свойства создают эксплуатационные параметры источников, которые подходят для определенной области использования.

Деление на классы электрохимических источников основывается на отличии в способе действия устройства. По этим свойствам их различают:
  • Первичные источники – для однократного применения. В них заключен определенный запас веществ, который будет израсходован при реакции. Когда произойдет разряд, ячейка исчерпывает свою способность к работе. Первичные источники, основанные на химических реакциях, называются элементами. Наиболее простой элемент – это батарейка типа АА.
  • Химические источники тока , которые имеют возможность перезаряжаться, называются аккумуляторами, это вторичные многоразовые элементы. Израсходованные химические элементы могут регенерироваться и снова накопить энергию, путем подключения к ним тока. Это называется зарядкой элементов. Такие элементы применяют длительное время, так как их легко зарядить. В процессе разряда вырабатывается электрический ток. К таким источникам можно причислить элементы питания различных видов приборов и устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и т.д.
  • Тепловые химические источники тока – это приборы постоянного действия. В результате их работы постоянно поступает новая порция веществ и удаляется использованный продукт реакции.
  • В смешанных элементах находится запас реагента. Другой реагент поступает в устройство снаружи. Время действия устройства имеет зависимость от резерва первого вещества. Комбинированные элементы применяются в качестве аккумуляторов, когда имеется возможность регенерации их заряда через прохождение тока от внешнего питания.
  • Химические источники тока, которые могут возобновлять заряд , заряжаются разными способами. В них можно заменять израсходованные реагенты. Такие источники действуют не постоянно.

Khimicheskie istochniki toka foto 4

Свойства
Основные характеристики ХИТ можно перечислить в таком виде:
  • Разрядное напряжение. Это свойство имеет зависимость от определенной электрохимической системы. А также оказывает влияние процент концентрации электролита, температура, ток.
  • Мощность.
  • Разрядный ток, зависящий от сопротивления цепи.
  • Емкость, наибольшее количество энергии, которое источник выдает при общем разряде.
  • Запас энергии – наибольшая энергия, которая получена при полном разряде устройства.
  • Энергетические свойства и характеристики. Для батарей аккумуляторов это число циклов заряда и разряда, без уменьшения емкости и напряжения (ресурс).
  • Температурный интервал работы.
  • Сохраняемый срок – наибольший допускаемый период времени от изготовления до первого разряда элемента.
  • Время службы – наибольший допускаемый срок работы и хранения. Для элементов на топливе имеют значение сроки работы при постоянной и периодической работе.
  • Полная энергия, отданная за все время работы.
  • Механическая, вибрационная прочность.
  • Возможность функционирования в любом положении.
  • Надежная работа.
  • Простота в уходе.
Читайте также:  Режим неразрывных токов в обратноходовом трансформаторе
Сахарная батарея

Чтобы произвести литий-ионные аккумуляторы в Японии закупают материалы в других странах. Это негативно сказывается на экономическом положении страны. Поэтому ученые ищут способы изготовления аккумуляторов из того сырья, которое имеется в наличии. Таким сырьем в Японии стал сахар. Аккумулятор на сахаре в Японии по свойствам имеет надежность и энергоемкость выше обычных аналогов, и стоимость его ниже.

Большой спрос на литий, который вызван резким распространением переносных аккумуляторов, озаботил производителей аккумуляторов, так как этот элемент добывается только в странах с политической нестабильностью. Это явилось вторым фактором поиска альтернативных материалов для недорогих аккумуляторов с высокой надежностью. Сахароза легко преобразуется в дешевый материал для анодного сырья в литий-ионных батареях.

Сахар нагревают в условиях вакуума под давлением до 1500 градусов. Он превращается в порошок, состоящий из углерода, который может повысить заряд на 20% больше аналогичных изделий. Это явилось первым шагом в разработке дешевых батарей. Пока такие виды батарей не составляют конкуренции современным аккумуляторам. Но ученые предполагают, что в будущем подобные разработки вытеснят дорогие изделия.

Требования

Конструктивные особенности химических источников тока должны создавать условия, которые способствовали бы максимальной эффективности химических реакций.

К таким условиям можно отнести:
  • Недопущение утечек тока.
  • Постоянная работа.
  • Герметичность.
  • Раздельное помещение реагентов.
  • Качественное контактирование электролита с электродами.
  • Хороший отвод тока из объекта химической реакции до наружного вывода с наименьшими потерями.
К химическим элементам предъявляются требования:
  • Повышенные значения свойств.
  • Максимальный диапазон температуры работы.
  • Наибольшее напряжение.
  • Минимальная себестоимость электричества.
  • Постоянное значение напряжения.
  • Хорошее сохранение заряда.
  • Безопасное функционирование.
  • Простое обслуживание, или ее отсутствие.
  • Долговременная работа.
Эксплуатация источников тока

Основное достоинство первичных элементов состоит в отсутствии надобности обслуживания. Перед работой нужно просто осмотреть их, определить срок годности. При включении в цепь нельзя путать полярность и допускать повреждения контактов. Сложные конструкции источников требуют особого ухода. Цель его заключается в удлинении срока службы до максимума.

Уход за аккумуляторами требует выполнения следующих мероприятий:
  • Обеспечение чистоты.
  • Контроль параметра напряжения отключенной цепи.
  • Обеспечение необходимого уровня электролита, доливки дистиллированной воды.
  • Проверка концентрации электролита ареометром.

При использовании батареек (гальванических элементов) нужно выполнять требования, которые относятся к применению электрических приборов.

Сфера использования
В современное время химические источники тока используются в:
  • Транспорте.
  • Переносных устройствах.
  • Космической технике.
  • Оборудовании научных исследований.
  • Медицинских приборах.
Применяются в бытовой сфере:
  • Батарейки (сухие).
  • Батареи аккумуляторов электроники.
  • Аккумуляторы на автомобилях.

Большое распространение нашли литиевые химические источники тока. Это обусловлено наличием у лития максимальной удельной энергии. Он отличается наиболее отрицательным потенциалом электрода из металлов. Батареи литий ионного типа опередили все другие источники по размеру значений удельной энергии. В настоящее время ученые разрабатывают различные усовершенствования литиевых аккумуляторов. Разработки ведутся в направлении получения конструкций корпуса сверхмалой толщины, которые будут использоваться для питания смартфонов и подобных им гаджетов, а также создание сверхмощных батарей аккумуляторов.

В последнее время серьезные работы ученых ведутся по изобретению и модернизации топливных батарей – устройств, которые создают электрическую энергию, за счет проведения химических реакций веществ, постоянно подающихся к электродам снаружи. Для окисления берут кислород, а в качестве топлива пытаются использовать водород. На основе таких батарей уже действуют некоторые опытные образцы на электростанциях.

Источник

Где используется химическое действие электрического тока примеры

§ 27. Химическое действие электрического тока

Растворы солей и кислот в воде или в каком-либо другом растворителе проводят электрический ток и называются электролитами или проводниками второго рода в отличие от металлических проводников, называемых проводниками первого рода.
Электрический ток может проходить через среды, имеющие электрически заряженные частицы, обладающие способностью перемещаться.
При растворении солей и кислот в воде или в каком-либо ином растворителе (этиловый спирт, бензин, бензол и др.) часть молекул распадается на две части, называемые ионами, причем одна часть имеет положительный, другая — отрицательный заряд.
Таким образом, в отличие от металлических проводников, где переносчиками электричества являются электроны, в электролитах ими служат ионы.
Ионы могут быть простыми и сложными. Простой ион образован одним атомом вещества. Ионы, состоящие из нескольких атомов, называются сложными.
Распад химических соединений на ионы под действием растворителя называется электролитической диссоциацией и выражается обычными химическими уравнениями, в левой части которых помещаются химические символы распадающихся веществ, а в правой — образующиеся из этих веществ ионы. Например, уравнение диссоциации поваренной соли (хлористого натрия) записывается следующим образом:

Если в сосуд с электролитом погрузить две металлические пластины, называемые электродами, которые при помощи проволочных проводников присоединены к зажимам источника энергии постоянного тока, то вследствие разности потенциалов между электродами через электролит будет протекать ток. Прохождение тока через электролит сопровождается химическими процессами, носящими общее название электролиза. Находящиеся в электролите ионы, притягиваясь к электродам, двигаются в противоположных направлениях: положительные ионы — к катоду, а отрицательные — к аноду. Подойдя к катоду, положительные ионы получают от него недостающие им электроны и образуют электрически нейтральные атомы. На аноде происходит обратный процесс: отрицательные ионы отдают аноду свои избыточные электроны. Например, при электролизе раствора поваренной соли на катоде отлагаются положительные ионы натрия, а на аноде — отрицательные ионы хлора (рис. 24).

В результате непрерывного перехода электронов с катода на ионы и поступления их на анод поддерживается движение электронов в проводах, соединяющих источник электрической энергии с электродами.
При прохождении электрического тока через электролит на электродах выделяются определенные количества веществ, содержащихся в виде химического соединения в электролите. Зависимость выделенного вещества от силы тока устанавливается первым законом Фарадея, который сформулирован следующим образом: количество вещества, выделившегося на электродах при прохождении тока через электролит, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через электролит. При прохождении одного кулона электричества из электролита выделяется определенное весовое количество вещества, которое называется электрохимическим эквивалентом данного вещества.
В практических расчетах для определения количества электричества удобнее пользоваться не кулонами (к), а ампер-часами (а · ч).

1 к = 1 a · сек,
1 а · ч = 60 · 60 = 3600 a · сек = 3600 к.

Электрохимический эквивалент выражается в граммах, отнесенных к 1 а · ч количества электричества (Г/а · ч), т. е. определяет весовое количество вещества, выделившегося из электролита и выраженное в граммах, при прохождении через электролит 1 а · ч количества электричества.
Обозначив через I неизменную силу тока, протекающего через электролит в течение t ч, а электрохимический эквивалент данного вещества — через k, определим весовое количество данного вещества g в граммах, выделившегося за это время:

q = k I t

Пример. Если при прохождении через меднокислый электролит тока в 1 а в течение 1 ч на катоде выделяется 1,186 г меди, то при силе тока в 10 а из такого же раствора за 10 ч выделится 1,186 · 10 · 10 = 118,6 г.

Наиболее широко электролиз применяется для нанесения относительно тонких покрытий одних металлов на другие (гальваностегия). Гальваностегия используется для придания изделиям декоративного вида и для защиты от коррозии. Таким способом производят золочение, серебрение, никелирование и т. д.
Электролиз служит также для очистки (рафинирования) металлов, например меди. Пластины неочищенной меди, полученной путем обжига руды, опускают в качестве анодов в ванны, содержащие раствор медного купороса, подкисленный серной кислотой для повышения проводимости электролита. Катодами в этих ваннах являются тонкие медные пластины, на которых отлагается электролитическая медь, а примеси осаждаются на дно ванны.
Весьма распространен электролитический способ получения едких щелочей натрия, калия и хлора, а также кислорода и водорода.

Источник