«Батарейка»

Химико-физический урок • 11 класс (2ч)

Свинцовая аккумуляторная батарея

Одной из наиболее распространенных является свинцовая аккумуляторная батарея, которая используется в автомобилях. Свинцовая аккумуляторная батарея напряжением 12 В состоит из шести элементов, каждый из которых дает напряжение 2 В. Анод каждого элемента выполнен из свинца, а катод – из диоксида свинца PbO₂, заполняющего металлическую решетку. Оба электрода погружены в серную кислоту. В процессе разрядки батареи в ней протекают электродные реакции:

н а  а н о д е:

Pb (тв.) + HSO₄^– (водн.) = PbSO₄ (тв.) + H⁺ (водн.) + 2e,

н а  к а т о д е:

PbO₂ (тв.) + HSO₄^– (водн.) + 3H⁺ (водн.) + 2e = PbSO₄ (тв.) + 2H₂O (ж.).

Суммарная реакция:

Pb (тв.) + PbO₂ (тв.) + 2HSO₄^–   (водн.) + 2H⁺ (водн.) = 2PbSO₄ (тв.) + 2H₂O (ж.).

Реагенты свинец и диоксид свинца, между которыми происходит перенос электронов, служат электродами. Поскольку они представляют собой твердые вещества, отпадает необходимость в разделении электрохимического элемента на анодное и катодное отделения. Между Pb и PbO₂ нет прямого физического контакта (если, конечно, одна электродная пластина случайно не соприкоснется с другой). Чтобы предотвратить соприкосновение электродов, между ними помещают перегородки из дерева или стекловолокна. Для повышения силы снимаемого тока в каждом элементе помещено несколько анодных и катодных пластин, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Свинцовая аккумуляторная батарея

Из вышеприведенных уравнений реакции видно, что в процессе разрядки свинцовой аккумуляторной батареи расходуется серная кислота. Концентрированная серная кислота имеет высокую плотность, но в процессе разрядки батареи плотность этого электролита в ней уменьшается. Электролит в свежезаряженной батарее имеет плотность 1,25–1,30 г/см³.

Если плотность электролита становится ниже 1,20 г/см³, батарея нуждается в перезарядке. Плотность электролита измеряется с помощью ареометра (рис. 5). Этот прибор снабжен поплавком, который погружается в жидкость на глубину, зависящую от ее плотности.

Существует разновидность свинцовых аккумуляторов, в которых роль электролита играет гель, пропитанный H₂SO₄. Такие батареи используются в запаянном виде.

Свинцовая аккумуляторная батарея удобна тем, что ее можно перезаряжать. Для перезарядки используется внешний источник энергии, позволяющий обращать направление самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции таким образом, что во время перезарядки в батарее протекает реакция:

2PbSO₄ (тв.) + 2H₂O (ж.) = Pb (тв.) + PbO₂ (тв.) + 2HSO₄^– (водн.) + 2H⁺ (водн.).

В автомобиле необходимую для перезарядки батареи энергию получают от генератора, который приводится в действие двигателем. Перезарядка возможна благодаря тому, что PbSO₄, образующийся во время зарядки батареи, не отделяется от электродов. Поэтому при подключении внешнего источника энергии электроны перетекают с одного электрода на другой, а PbSO₄ превращается в Pb на одном электроде и в PbO₂ на другом, т.е. вновь образуются вещества, имевшиеся в свежезаряженной батарее.

При слишком быстрой перезарядке батареи возможно разложение воды на Н₂ и О₂. Смесь Н₂ и О₂ взрывоопасна. Кроме того, эта вторичная реакция приводит к сокращению времени службы батареи. Выделение газообразных Н₂ и О₂ приводит к механическому удалению свинца, диоксида и сульфата свинца с поверхности электродов и их накоплению в виде шлама в нижней части батареи. Со временем это может вызвать короткое замыкание в батарее и вывести ее из строя.

Сухой элемент

Разновидность гальванических элементов, называемая сухим элементом, получила широкую распространенность благодаря тому, что этот элемент используется для питания ручных электрических фонариков и радиоприемников. Другое его название – элемент Лекланше – по имени изобретателя Ж.Лекланше, который запатентовал его в 1866 г. В одном из вариантов (кислом) анод выполнен в виде цинковой оболочки элемента, контактирующей с влажной пастой из MnO₂, NH₄Cl и угля. В пасту погружен инертный катод, представляющий собой графитовый стержень, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Вид сухого гальванического элемента в разрезе

Снаружи сухой элемент имеет оболочку из картона или металла, предохраняющую его от атмосферных воздействий. В этом гальваническом элементе протекают довольно сложные электродные реакции, причем катодная реакция, по-видимому, зависит от скорости разрядки:

н а  а н о д е:

Zn (тв.) = Zn²⁺ (водн.) + 2e,

н а  к а т о д е:

2NH₄⁺ (водн.) + 2MnO₂ (тв.) + 2e = Mn₂O₃ (тв.) + 2NH₃ (водн.) + H₂O (ж.).

Из-за ограниченной подвижности реагентов в сухом элементе электрохимически активна лишь часть катодного пространства, находящаяся в непосредственной близости от электрода.

В другом варианте (щелочном) вместо NH₄Cl используется КОН (щелочь). Анодная реакция по-прежнему включает окисление Zn, а катодная – восстановление MnO₂. Сухой элемент такого типа обладает большей работоспособностью, чем с NH₄Cl. Однако сухие щелочные элементы дороже кислотных. В любом случае сухой элемент дает напряжение ~1,5 В.

Никель-кадмиевая батарея

Поскольку сухие элементы нельзя перезаряжать, их часто приходится заменять. Поэтому все более популярной становится никель-кадмиевая перезаряжаемая батарея, которая удобна в различных бытовых приборах, питаемых аккумуляторами, и в переносных вычислительных устройствах. При разрядке в этой батарее протекают следующие электродные процессы:

н а  а н о д е:

Cd (тв.) + 2OH^– (водн.) = Cd(OH)₂ (тв.) + 2e,

н а  к а т о д е:

NiO₂ (тв.) + 2H₂O (ж.) + 2e = Ni(OH)₂ (тв.) + 2OH^–(водн.).

Как и в свинцовой аккумуляторной батарее, в никель-кадмиевой батарее продукты реакции не отделяются от электродов. Это позволяет легко проводить обратные реакции при перезарядке. Поскольку ни на стадии разрядки, ни на стадии зарядки не происходит выделения газов, никель-кадмиевую батарею можно герметизировать, что очень удобно.

Топливный элемент

Многие вещества, например водород или метан, используются как топливо. Выделяемая при их реакции с кислородом теплота является источником энергии. Выделяемую при горении энергию нередко превращают в электрическую. Поскольку горение представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, в принципе ее можно использовать для получения электрического тока в гальваническом элементе, если, конечно, возможно создание такого элемента.

Прямое преобразование химической энергии в электрическую имеет большие преимущества по сравнению с обычным способом превращения химической энергии сначала в тепловую и лишь после этого в электрическую. При получении электрической энергии из тепловой последнюю используют для превращения воды в пар. Затем этот пар приводит в действие турбину, которая вращает генератор.

При превращении энергии из одной формы в другую или при ее передаче от одного вещества к другому происходят неизбежные потери энергии и тепловое загрязнение окружающей среды. Обычно в электрическую энергию удается превратить не более 40% энергии, полученной в результате сгорания топлива. Остальная часть рассеивается в окружающую среду в виде бесполезной тепловой энергии.

Прямое получение электрической энергии из топлив при помощи гальванических элементов должно обеспечить более высокий коэффициент преобразования химической энергии топлив в электрическую энергию. Гальванические элементы, в которых реагентами служат традиционные разновидности топлива, называются топливными элементами.

На разработку практически действующих топливных элементов затрачиваются большие исследовательские усилия. Одной из возникающих при этом проблем является высокая температура, при которой работает большинство подобных элементов, что не только способствует рассеянию энергии, но и ускоряет процесс коррозии частей гальванического элемента.

Разработан низкотемпературный топливный элемент, в котором используется Н₂, но пока что этот топливный элемент слишком дорог для широкого потребления. Однако он находит применение в особых случаях, например в космических аппаратах. Так, топливный элемент на основе Н₂–О₂ служил в качестве главного источника электрической энергии на космических кораблях «Аполлон», летавших на Луну. Масса топливного элемента, обеспечивавшего корабль энергией в течение
11-дневного полета, составляла приблизительно 250 кг. Если бы для такой цели использовался обычный генератор электрической энергии, его масса должна была бы составлять несколько тонн.

На корабле многоразового использования «Шаттл» электрическая энергия также поставляется топливными элементами. На рис. 7 показан один из трех топливных элементов, составляющих один генератор. Каждый топливный элемент способен вырабатывать пиковую мощность 12 кВт и имеет среднюю мощность 7 кВт.

Рис. 7. Схема топливного элемента на основе H2–O2

На электродах топливного элемента протекают следующие полуреакции:

н а  а н о д е:

2Н₂ (г.) + 4ОН^– (водн.) = 4Н₂О (ж.) + 4е,

н а  к а т о д е:

О₂ (г.) + 2Н₂О (ж.) + 4е = 4ОН^– (водн.).

Суммарная реакция:

2Н₂ (г.) + О₂ (г.) = 2Н₂О (ж.).

В некоторых водородно-кислородных топливных элементах используется кислотный электролит, в котором водород и кислород вступают в реакции:

н а  а н о д е:

Н₂ (г.) = 2Н⁺ (водн.) + 2е,

н а к а т о д е:

О₂ (г.) + 4Н⁺ (водн.) + 4е = 2Н₂О (ж.).

Суммарная реакция, однако, от этого не изменяется.

Решение задач

Задача 1. Свинцовая аккумуляторная батарея напряжением U = 12 В содержит m = 410 г свинца в анодных пластинах и стехиометрически эквивалентное количество оксида свинца(IV) в катодных пластинах.

3) Какую максимальную электрическую работу A (в кВт•ч) может выполнить данная батарея?

Дано:

U = 12 B,

m = 410 г,

I = 1,0 A,

I = сonst.

Найти:

q, t, A.

Решение

По закону Фарадея:

m = M•I•t/(z•F),

где m – масса выделившегося на электроде вещества, F = 96 485 Kл/моль – постоянная Фарадея, М = молярная масса элемента, восстанавливающегося в процессе электролиза, t – время проведения процесса электролиза (в секундах), I – cила тока (в амперах), z – число электронов, участвующих в процессе.

Свинцовый анод подвергается окислению:

Pb = Pb²⁺ + 2e.

                                                          M = 0,207 кг/моль

t = 2F•m/(M•I) = 2•96 485•0,410/(0,207•1,0) = 3,8•10⁵ с = 106 ч.

q = I•t = 1,0•3,8•10⁵ = 3,8•10⁵ Кл.

A = I•U•t = 1,0•12•3,8•10⁵ = 4,56•10⁶ Дж = 1,3 кВт•ч.

Ответ. q = 3,8•10⁵ Кл, t = 106 ч, A = 1,3 кВт•ч.

Задача 2. Электрохимические элементы одноразового пользования подобны обычному сухому элементу: они не поддаются перезарядке. Аккумуляторные батареи можно перезаряжать многократно.

Является ли гальванический элемент Zn–Cu²⁺, изображенный на рис. 8, элементом одноразового пользования или он подобен аккумуляторной батарее? Кратко поясните свой ответ.

Рис. 8. Гальванический элемент, в котором для замыкания электрической цепи используется солевой мостик

О т в е т. Гальванический элемент подобен аккумуляторной батарее, т.к. есть возможность его перезаряжать. Если подключить цинковый электрод к катоду, то будет осуществляться обратный процесс, т. е. из раствора начнут осаждаться ионы цинка на цинковую пластину:

Zn²⁺ + 2e = Zn⁰.

Соответственно к медному электроду необходимо добавить свежего раствора нитрата меди(II).

Литература

Хомченко Г.П., Цитович И.Г. Неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1987; Фримантл М. Химия в действии. М.: Мир, 1991; Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. М.: Мир, 1983; Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения. М.: Химия, 1995; Энциклопедия для детей «Аванта+». Т. 17. Химия, М.: Аванта+, 2004.

М.А.Александрова,
учитель химии школы № 81
(Москва)