 |
Щелочные аккумуляторы. ЭДС = Eкат. – Eан. 70. Схема цинк-марганиевой батареи. 71. Электролиз: определение, катодные и анодные процессы. Электролиз расплавов и растворов с активными и инертными анодами.
|
|
|
|
Щелочные аккумуляторы.
Наиболее распространены никель-железные (НЖ) и никель-кадмиевые (НК) щелочные аккумуляторы. В тех и других активная масса положительного электрода в заряженном состоянии состоит из гидрата окиси никеля NiOOH, к которому добавляют графит и окись бария.
Графит увеличивает электропроводность активной массы, а окись бария – срок службы. Активная масса отрицательного электрода никель-железного аккумулятора состоит из порошкового железа с добавками, а никель-кадмиевого аккумулятора из смеси порошкового кадмия и железа. Электролитом служит раствор едкого калия с примесью моногидрата лития, которая увеличивает срок службы аккумулятора.
Электрохимические реакции, протекающие при заряде и разряде щелочного аккумулятора, можно представить следующими уравнениями:
2Ni(OOH)+2KOH+Fe  2Ni(OH)2+2KOH+Fe(OH)2
Разность потенциалов катода и анода называется электродвижущей силой (ЭДС) гальванического элемента и вычисляется по формуле:
ЭДС = Eкат. – Eан.
70. Схема цинк-марганиевой батареи.
Марганцево-цинковый элемент, также известный как элемент Лекланше — это первичный химический источник тока, в котором катодом является диоксид марганца MnO2 (пиролюзит) в смеси с графитом (около 9, 5 %), электролитом — раствор хлорида аммония NH4Cl, анодом — металлический цинк Zn
Является самым известным первичным элементом (батарея одноразового использования), который сегодня широко используется в переносных устройствах. Изначально элементы заполнялись жидким электролитом. В дальнейшем электролит стали загущать с помощью крахмалистых веществ — это позволяло сделать более практичные элементы питания, называемые сухими, в которых сведена к минимуму возможность вытекания электролита.
|
|
|
При потреблении тока электроны поступают через внешнюю электрическую цепь с цинкового электрода на угольный стержень. Происходят следующие реакции:
Анод: Zn → Zn 2+ + 2e−
На угольном стержне электроны расходуются на восстановление H3O+-ионов:
Катод: 2H3O+ + 2e− → H2 + 2H2O
Ионы H3O+ образуются в результате частичного протолиза NH4+-ионов электролита:
NH4+ + H2O ↔ H3O+ + NH3
При восстановлении H3O+-ионов образуется водород, который не может удалиться (корпус герметичен) и образует вокруг угольного стержня прослойку газа (поляризация угольного электрода). Ток медленно затухает. Чтобы избежать образования водорода, угольный электрод окружают слоем диоксида марганца (MnO2). В присутствии диоксида марганца H3O+-ионы восстанавливаются с образованием воды:
2MnO2 + 2H3O+ + 2e− → 2MnO (OH) + 2H2O
В качестве электродов в «сухом элементе» выступают цинковый стакан и угольный стержень. Поэтому сухой элемент называют ещё угольно-цинковым элементом. Положительным электродом «+» является угольный стержень, отрицательным — цинковый стакан. Угольный стержень окружен смесью диоксида марганца MnO2 и угля (сажи). В качестве электролита выступает раствор хлорида аммония NH4Cl с небольшой добавкой хлорида цинка ZnCl2
71. Электролиз: определение, катодные и анодные процессы. Электролиз расплавов и растворов с активными и инертными анодами.
Электролиз — совокупность окислительно-восстановительных процессов, протекающих на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита.
Анодом при электролизе называется положительный электрод, катодом — отрицательный. Положительные ионы — катионы — (ионы металлов, водородные ионы, ионы аммония и др. ) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы — (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду.
|
|
|
На катоде, происходит процесс восстановления (принятие электронов). На аноде идет процесс окисления (отдача электронов).
Электролиз водных растворов
На процессе электролиза в водных растворах влияние оказывают продукты диссоциации воды
Катодный процесс
Поведение катионов металлов при электролизе зависит от расположения металла в ряду активности, возможны 3 случая:
а) катионы металлов (от Li+ по Al3+) не восстанавливаются на катоде, а вместо них восстанавливаются молекулы воды;
б) катионы металлов (от Sn2+ по Au+) полностью восстанавливаются на катоде;
в) катионы металлы средней части ряда от (Al3+ до Sn2+) восстанавливаются на катоде одновременно с молекулами воды.
Вода на катоде (-)
А) кислая среда рН< 7
Б) нейтральная и щелочная рН> =7
Анодный процесс
Аноды могут быть растворимые (активные ) и нерастворимые (инертные).
Активные аноды изготавливают металлов (из меди, серебра, железа), они сами растворяются, т. е. окисляются при электролизе.
Инертные аноды из угля, графита, платины, они не окисляются, т. е. не растворяются при электролизе, а служат для передачи электродов во внешнюю цепь. На инертном аноде происходит окисление анионов раствора или молекул воды. При этом анионы бес кислородных кислот легко окисляются, а вместо кислородосодержащих анионов окисляется вода.
Рассмотрим электролиз расплава хлорида натрия (рис. 10. 2). Это простейший случай электролиза, когда электролит состоит из одного вида катионов (Na+) и одного вида анионов(Cl  ) и никаких других частиц, могущих участвовать в электролизе, нет. Процесс электролиза расплава NaCl идёт следующим образом. С помощью внешнего источника тока электроны подводятся к одному из электродов, сообщая ему отрицательный заряд. Катионы Na+ под действием электрического поля движутся к отрицательному электроду, взаимодействуя с приходящими по внешней цепи электронами. Этот электрод является катодом, и на нём идёт процесс восстановления катионов Na+. Анионы Cl  движутся к положительному электроду и, отдав электроны аноду, окисляются. Процесс электролиза наглядно изображают схемой, которая показывает диссоциацию электролита, направление движения ионов, процессы на электродах и выделяющиеся вещества. Схема электролиза расплава хлорида натрия выглядит так:
|
|
|
NaCl = Na+ + Cl 
(-) Катод: Na+ Анод (+): Cl 
Эта реакция является окислительно-восстановительной: на аноде протекает процесс окисления, на катоде – процесс восстановления.
В процессах электролиза растворов электролитов могут участвовать молекулы воды и имеет место поляризация электродов.
|
|
|
