Меню

Вода разлагается под действием света электрического тока или высоких температур уравнения реакций



Вода разлагается под действием света электрического тока или высоких температур уравнения реакций

  • Главная
  • 8 класс
  • 9 класс
  • 10 класс
  • 11 класс
  • Мы в контакте
  • Для телефона

Тема 33. Типы химических реакций на примере свойств воды.

Часть I

1. Реакции разложения воды:
— под действием электрического тока называют электролизом;
— под действием света называют фотолизом.
Уравнение реакции: 2Н2О = 2Н2 + О2

2. Реакции соединения воды с оксидами:
металлов идут с образованием щелочей, например: 33-1-2-1
неметаллов идут с образованием кислоты, например: 33-1-2-2

3. Реакции замещения водорода в молекуле воды на металл идут с образованием щёлочи:

33-1-3

4. Реакции обмена — это реакции разложения веществ водой, или реакции гидролиза, например:

33-1-4

Часть II

1. «Химическим антонимом» реакции разложения воды является её синтез из соответствующих простых веществ. Напишите уравнение этого процесса:
2Н2 + О2=2Н2О
Придумайте и решите задачу, если известен объём одного из исходных веществ (н. у.), а требуется найти массу воды.
При взаимодействии 11,2 л углекислого газа с гидроксидом натрия, образовались соль и вода. Найти массу воды.

33-2-1

2. Запишите уравнения возможных реакций соединения с водой:

33-2-2

Распределите образовавшиеся гидроксиды на две группы.

33-2-21

3. Запишите уравнения реакций замещения с водой:

33-2-3

4. Запишите уравнения реакций гидролиза:

8-33-2-4-0

5. Запишите название продуктов гидролиза органических веществ, используя свои знания по теме «Пищеварительная система» из курса биологии.
1) Белки + вода→аминокислота.
2) Крахмал + вода→глюкоза.
3) Жиры + вода→глицерин + оксокислота.

6. Найдите массу фосфорной кислоты, которая образуется при растворении в воде 2,5 моль оксида фосфора (V).

8-33-2-6-0

7. Найдите массу щёлочи, которая образуется при растворении в воде 1,5 моль натрия.

Источник

§ 20. Вода

Строение молекулы воды. Давайте вспомним, как построена молекула воды. Она имеет угловое строение: входящие в её состав атомы образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода, а в вершине — атом кислорода. Межъ-ядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм, угол между связями Н—О—Н равен 104,5°. Из восьми электронов внешнего слоя атома кислорода в молекуле воды четыре электрона задействованы в образовании ковалентных связей О—Н, остальные составляют две неподелённые электронные пары:

Связи О—Н являются полярными за счёт более высокой электроотрицательности кислорода, на атомах которого возникает частичный отрицательный заряд. На атомах водорода, напротив, возникает частичный положительный заряд:

В целом молекула Н2O является полярной молекулой, т. е. диполем.

Водородная химическая связь. Относительная молекулярная масса воды равна 18 и отвечает её простейшей формуле. Почему же это вещество является жидкостью, а, например, хлор, относительная молекулярная масса которого 71, представляет собой при обычных условиях газ? Всё дело в том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты за счёт особой химической связи, которая называется водородной.

Химическая связь между атомами водорода одной молекулы и атомами наиболее электроотрицательных элементов (фтора, кислорода, азота), имеющих неподелённые электронные пары, другой молекулы называется водородной.

Это очень слабая химическая связь — примерно в 15—20 раз слабее ковалентной. Однако именно благодаря ей некоторые низкомолекулярные вещества (т. е. имеющие небольшую относительную молекулярную массу) имеют повышенные температуры плавления и кипения. Это характерно для воды, спиртов, фторово-дорода, аммиака.

Физические свойства воды. Агрегатные состояния воды вам известны из курса начальной школы: жидкое, газообразное и твёрдое (рис. 81).

Рис. 81.
Вода в природе

Жидкая вода образует многочисленные реки, ручьи, озёра, Мировой океан. Газообразная вода входит в состав воздуха. Твёрдая вода — это, прежде всего, лёд и снег. Бесконечно многообразен и причудлив узор снежинок.

В основе всего многообразия встречающейся в природе воды лежат именно водородные связи. Наличием водородной связи у воды (низкомолекулярного вещества) объясняются и аномально высокие значения её температур плавления (0 °С) и кипения (100 °С).

Чистое вещество вода обладает и другими особенностями физических свойств, которые делают это соединение поистине уникальным.

Вода способна расширяться при замерзании и имеет максимальную плотность при +4 °С. Поэтому при понижении температуры ниже +4 °С лёд занимает верхнюю часть водоёма, укрывая его нижние слои и защищая водоём от промерзания. Не обладай вода таким свойством, все водоёмы и даже Мировой океан за определённый геологический период промёрзли бы до дна и жизнь на Земле не только не получила бы своего эволюционного развития, она просто бы не возникла на ней.

Вода обладает высокими значениями теплоты плавления и теплоты парообразования, которые академик В. И. Вернадский рассматривал как константы планетарного значения, так как их аномальные значения определяют многие физико-химические и биологические процессы на Земле.

Весьма интересно изменяется теплота плавления льда при понижении его температуры. Оказывается, если охладить лёд при нормальном давлении до -7 °С, то количество теплоты, затрачиваемой на его плавление, уменьшается с 333,7 • 10 3 до 323 • 10 3 Дж/кг. Таяние льда и снега связано с огромными тепловыми затратами, поэтому процесс происходит постепенно, в большинстве случаев не причиняя вреда природе.

На испарение 1кг воды расходуется 2254 • 10 3 Дж теплоты, т. е. приблизительно в 7 раз больше, чем на плавление 1 кг льда. В этом причина сохранения воды в жидком состоянии на нашей планете. Даже в самые жаркие дни вода испаряется крайне медленно. Поэтому и сезоны года меняются не резко, а плавно: лето — осень — зима — весна (рис. 82).

Рис. 82.
Времена года в произведениях российских художников:
Н. Н. Дубовский (1859—1918). Морозное утро. 1894 (а); А. К. Саврасов (1830—1897). Ранняя весна. Половодье. 1868 (б); И. И. Левитан (1860—1900). Золотая осень. 1895 (в); Н. А. Атрыганьев (1823—1892). Вид на реку Остер в Могилёвской губернии. 1884 (г)

Вода имеет высокую удельную теплоёмкость. Эта величина показывает, сколько теплоты надо затратить для нагревания 1 кг воды на 1 К (кельвин). Оказывается, на это затрачивается 4,1868 • 10 3 ДжДкг • К).

Из-за высокой удельной теплоёмкости воды на континентах не бывает резкого перепада температур зимой и летом, ночью и днём, поскольку они окружены гигантским регулятором, своеобразным термостатом — водами Мирового океана.

При нагревании всех веществ их теплоёмкость, как правило, возрастает, однако вода — исключение. Теплоёмкость воды с повышением температуры изменяется аномально: в интервале температур от 0 до 37 °С теплоёмкость падает, а от 37 до 100 °С повышается. Значит, теплоёмкость воды достигает минимального значения при 36—37 °С, т. е. вблизи нормальной температуры тела человека и млекопитающих, благоприятной для биохимических реакций в их организмах.

Ещё одна особенность воды — высокое поверхностное натяжение.

На каждую молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения соседних молекул, окружающих её со всех сторон. Равнодействующая этих сил равна нулю, что не наблюдается для молекул поверхностного слоя. Равнодействующая сил притяжения направлена внутрь жидкости, и поэтому молекулы поверхностного слоя стремятся туда втянуться. Под действием этой силы число молекул на поверхности уменьшается, её площадь сокращается. Но все молекулы, разумеется, не могут уйти вовнутрь. На поверхности остаётся такое их число, при котором она оказывается минимальной. Для перенесения молекул из глубины объёма жидкости в её поверхностный слой необходимо совершить работу по преодолению равнодействующей сил притяжения, которые действуют на молекулу в поверхностном слое.

Лабораторный опыт № 20
Исследование поверхностного натяжения воды

Читайте также:  Что такое вызывной ток

Проделайте аналогичные действия, используя воду, в которой предварительно растворили немного стирального порошка.

Рис. 83.
Поверхностное натяжение собирает воду в капли

Поверхностное натяжение собирает воду в капли (рис. 83) и позволяет жуку-водомерке скользить по её поверхности (рис. 84).

Рис. 84.
Жук-водомерка скользит по воде благодаря её поверхностному натяжению

Оригинальна и ещё одна характеристика воды — её вязкость. Обычно с повышением давления вязкость вещества увеличивается, а с ростом температуры уменьшается. Однако вязкость воды с ростом давления при температуре ниже 30 °С значительно уменьшается. Поэтому активность организмов, живущих в низкотемпературных средах, не сильно зависит от этих температур. Кровь, не потерявшая текучести, продолжает выполнять свои функции столь же интенсивно, как и при более высоких температурах.

Вода — главный растворитель не только в живой, но и в неживой природе. По отношению к воде все вещества делятся на два типа.

Гидрофильные вещества хорошо растворимы в воде. К ним относятся многие соли, спирты, кислоты, глюкоза и др.

Гидрофобные, плохо растворимые в воде вещества — это жиры, пластмассы, сложные эфиры, жирные кислоты и др.

Лабораторный опыт № 21
Растворение перманганата калия или медного купороса в воде

Почему кристаллики соли оказываются в центре «воронки», образуя малиновый или голубой «смерч», исчезающий через некоторое время после перемешивания? Какой физико-химический процесс вы наблюдаете?

Запишите уравнение диссоциации перманганата калия КМnO4 или сульфата меди (II). Какие кислоты соответствуют этим солям?

В свою очередь, какие оксиды соответствуют каждой кислоте?

Химические свойства воды. У автора «Маленького принца» Антуана де Сент-Экзюпери есть очень поэтичные, необыкновенно точные строчки:

«Вода! Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты — сама жизнь. Ты наполняешь нас радостью, которую не объяснить нашими чувствами. Ты самое большое богатство на свете. »

Недаром Экзюпери подчёркивает, что без воды невозможна жизнь на Земле.

Вода — основной поставщик кислорода в атмосферу Земли, так как важнейшая реакция на Земле — фотосинтез:

Из глюкозы в ходе дальнейших превращений возникает поразительное многообразие органических соединений.

Вода — участник практически всех реакций на Земле. Основные химические свойства воды вы уже изучили. Давайте повторим их.

Вода взаимодействует с щелочными и щёлочноземельными металлами. (Приведите примеры уравнений реакций, дайте их характеристику и рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.)

Вода соединяется с основными и кислотными оксидами, если образуется растворимый гидроксид — щёлочь или кислородсодержащая кислота. (Приведите примеры уравнений реакций.)

Вода разлагается под действием света, электрического тока или высоких температур (свыше 1500 °С). (Запишите уравнение реакции и рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.)

Вода разлагает некоторые неорганические и многие органические вещества. Очевидно, некоторые из вас помнят из курса 8 класса, что этот процесс называется гидролизом. Необратимому гидролизу подвергаются некоторые бинарные соединения, например соли летучих бескислородных кислот и нерастворимых оснований:

С обратимым гидролизом солей вы будете знакомиться в старших классах, а с обратимым гидролизом органических соединений вы уже познакомились в курсе биологии. Ведь именно он и составляет основу обмена веществ в живых организмах. (Вспомните, как гидролизуются белки, жиры и углеводы.)

Также, очевидно, некоторые из вас помнят из курса 8 класса, что вода образует кристаллогидраты: медный купорос CuSO4 • 5Н2O, кристаллическую соду Na2CO3 • 10Н2O, гипс CaSO4 • 2Н2О.

Лабораторный опыт № 22
Гидратация обезвоженного сульфата меди (II)

Поместите в пробирку немного (на кончике шпателя) обезвоженного сульфата меди (II), а затем прилейте в неё 2—3 мл воды. Что наблюдаете? Как отличаются друг от друга гидратированные и негидратированные катионы меди (II)?

Лабораторный опыт № 23
Изготовление гипсового отпечатка

В фарфоровую чашечку насыпьте 2 г полуводного гипса — алебастра 2CaSO4 • Н2O. Добавьте немного воды и перемешайте смесь, чтобы получилась тестообразная масса. Вдавите в неё монету или брелок, предварительно смазав их вазелином. Если удалить их, то в твёрдой массе останется отпечаток этих предметов. Почему? Как этот процесс используется в медицине, производстве гипсовых статуэток?

Вода взаимодействует и с некоторыми неметаллами, например галогенами. С этим свойством воды вы будете знакомиться на следующих уроках.

Источник

Реакции разложения

При выполнении различных заданий ЕГЭ по химии (например, задачи 34 или задания 32 «мысленный эксперимент») могут пригодиться знания о том, какие вещества при нагревании разлагаются и как они разлагаются.

Рассмотрим термическую устойчивость основных классов неорганических веществ. Я не указываю в условиях температуру протекания процессов, так как в ЕГЭ по химии такая информация, как правило, не встречается. Если возможны различные варианты разложения веществ, я привожу наиболее вероятные, на мой взгляд, реакции.

Разложение оксидов

При нагревании разлагаются оксиды тяжелых металлов:

2HgO = 2Hg + O2

Разложение гидроксидов

Как правило, при нагревании разлагаются нерастворимые гидроксиды. Исключением является гидроксид лития, он растворим, но при нагревании в твердом виде разлагается на оксид и воду:

2LiOH = Li2O + H2O

Гидроксиды других щелочных металлов при нагревании не разлагаются.

Гидроксиды серебра (I) и меди (I) неустойчивы:

2AgOH = Ag2O + H2O

2CuOH = Cu2O + H2O

Гидроксиды большинства металлов при нагревании разлагаются на оксид и воду.

В инертной атмосфере (в отсутствии кислорода воздуха) гидроксиды хрома (III) марганца (II) и железа (II) распадаются на оксид и воду:

Большинство остальных нерастворимых гидроксидов металлов также при нагревании разлагаются:

Разложение кислот

При нагревании разлагаются нерастворимые кислоты.

Например , кремниевая кислота:

Некоторые кислоты неустойчивы и подвергаются разложению в момент образования. Большая часть молекул сернистой кислоты и угольной кислоты распадаются на оксид и воду в момент образования:

В ЕГЭ по химии лучше эти кислоты записывать в виде оксида и воды.

Например , при действии водного раствора углекислого газа на карбонат калия в качестве реагента мы указываем не угольную кислоту, а оксид углерода (IV) и воду, но подразумеваем угольную кислоту при этом:

Азотистая кислота на холоде или при комнатной температуре частично распадается уже в водном растворе, реакция протекает обратимо:

При нагревании выше 100 о С продукты распада несколько отличаются:

Азотная кислота под действием света или при нагревании частично обратимо разлагается:

Разложение солей

Разложение хлоридов

Хлориды щелочных, щелочноземельных металлов, магния, цинка, алюминия и хрома при нагревании не разлагаются.

Хлорид серебра (I) разлагается под действием света:

2AgCl → Ag + Cl2

Хлорид аммония при нагревании выше 340 о С разлагается:

Разложение нитратов

Нитраты щелочных металлов при нагревании разлагаются до нитрита металла и кислорода.

Например , разложение нитрата калия:

Видеоопыт разложения нитрата калия можно посмотреть здесь.

Нитраты магния, стронция, кальция и бария разлагаются до нитрита и кислорода при нагревании до 500 о С:

При более сильном нагревании (выше 500 о С) нитраты магния, стронция, кальция и бария разлагаются до оксида металла, оксида азота (IV) и кислорода:

Нитраты металлов, расположенных в ряду напряжений после магния и до меди (включительно) + нитрат лития разлагаются при нагревании до оксида металла, диоксида азота и кислорода:

Нитраты серебра и ртути разлагаются при нагревании до металла, диоксида азота и кислорода:

Нитрат аммония разлагается при небольшом нагревании до 270 о С оксида азота (I) и воды:

При более высокой температуре образуются азот и кислород:

Читайте также:  Формула для напряженности магнитного поля прямолинейного проводника с током

Разложение карбонатов и гидрокарбонатов

Карбонаты натрия и калия плавятся при нагревании.

Карбонаты лития, щелочноземельных металлов и магния разлагаются на оксид металла и углекислый газ:

Карбонат аммония разлагается при 30 о С на гидрокарбонат аммония и аммиак:

Гидрокарбонат аммония при дальнейшем нагревании разлагается на аммиак, углекислый газ и воду:

Гидрокарбонаты натрия и калия при нагревании разлагаются на карбонаты, углекислый газ и воду:

Гидрокарбонат кальция при нагревании до 100 о С разлагается на карбонат, углекислый газ и воду:

При нагревании до 1200 о С образуются оксиды:

Разложение сульфатов

Сульфаты щелочных металлов при нагревании не разлагаются.

Сульфаты алюминия, щелочноземельных металлов, меди, железа и магния разлагаются до оксида металла, диоксида серы и кислорода:

Сульфаты серебра и ртути разлагаются до металла, диоксида серы и кислорода:

Разложение фосфатов, гидрофосфатов и дигидрофосфатов

Эти реакции, скорее всего, в ЕГЭ по химии не встретятся! Гидрофосфаты щелочных и щелочноземельных металлов разлагаются до пирофосфатов:

Ортофосфаты при нагревании не разлагаются (кроме фосфата аммония).

Разложение сульфитов

Сульфиты щелочных металлов разлагаются до сульфидов и сульфатов:

Разложение солей аммония

Некоторые соли аммония, не содержащие анионы кислот-сильных окислителей, обратимо разлагаются при нагревании без изменения степени окисления. Это хлорид, бромид, йодид, дигидрофосфат аммония:

Cоли аммония, образованные кислотами-окислителями, при нагревании также разлагаются. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция. Это дихромат аммония, нитрат и нитрит аммония:

Видеоопыт разложения нитрита аммония можно посмотреть здесь.

Разложение перманганата калия

Разложение хлората и перхлората калия

Хлорат калия при нагревании разлагается до перхлората и хлорида:

4KClO3 → 3KClO4 + KCl

При нагревании в присутствии катализатора (оксид марганца (IV)) образуется хлорид калия и кислород:

2KClO3 → 2KCl + 3O2

Перхлорат калия при нагревании разлагается до хлорида и кислорода:

Источник

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.

Читайте также:  Какие из растворов проводят электрический ток формулы

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!

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