Химические источники тока

Химические источники тока это устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счет протекания окислительно-восстановительных реакций. Основой конструкции химического источника тока является гальванический элемент с двумя электродами (на одном протекает окисление, на другом – восстановление), находящимися в контакте с электролитом (жидким или твердым).

Все химические источники тока делят на гальваничекие элементы (первичные элементы), аккумуляторы (вторичные элементы) и топливные элементы.

Гальванический элемент содержит запас реагентов, после расходования которых становится неработоспособным. Например, медно-цинковый гальванический элемент (элемент Даниэля) Zn/ZnSO₄//CuSO₄/Cu. Суммарное уравнение реакции:

 

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu.

 

Аккумулятор рассчитан на многократное использование. При пропускании тока от внешнего источника в обратном направлении происходит регенерация реагентов гальванического элемента (зарядка). Например, свинцовый аккумулятор PbO₂(тв)/H₂SO₄(р-р)/Pb(тв). Электроды (пластины) свинцового аккумулятора изготовлены из свинцовой сетки, ячейки которой заполнены пастой из оксида свинца. Электролитом является 30%-ный раствор серной кислоты. Погружение пластин в серную кислоту приводит к образованию на поверхности труднорастворимого сульфата свинца PbSO₄. Суммарная реакция, протекающая в аккумуляторе:

 

 

Топливные элементы (электрохимические генераторы) могут работать длительное время за счет постоянного подвода реагентов и отвода продуктов реакции.

5. Экспериментальная часть
Лабораторная работа «Электрохимические процессы»

Опыт 1. Изготовление и изучение работы медно-цинкового
гальванического элемента

Реактивы и оборудование. Гальванометр или цифровой вольтметр; химические стаканы на 50 см³; медная и цинковая пластины; электролитический мост, электрические провода, раствор ZnSO₄ 1, 0 М; раствор CuSO₄ 1, 0 М.

Выполнение работы. Собрать медно-цинковый гальванический элемент (элемент Даниэля) в соответствии со схемой Zn/ZnSO₄//CuSO₄/Cu. Конструкция прибора схематично представлена на рис. 2. Для этого в стаканы налить растворы солей меди и цинка, поместить в них соответствующие электроды и соединить растворы электролитическим мостом. Подключить во внешнюю цепь вольтметр и наблюдать протекание электрического тока.

Запись данных опыта. Зарисовать прибор, составить схему гальванического элемента.

1. Определить стандартные потенциалы меди и цинка (табл. П. 1), записать уравнения электродных процессов и суммарную реакцию.

2. Указать катод и анод, их заряды, направление движения электронов во внешней цепи и ионов в растворе.

3. Рассчитать э.д.с. стандартного медно-цинкового гальванического элемента.

Опыт 2. Электрохимическая коррозия при образовании
гальванических пар

Реактивы и оборудование. Гранулированный цинк (х.ч.); медная проволока; железная пластина покрытая цинком; железный стержень покрытый оловом (луженый); раствор H₂SO₄ 2, 0 н; раствор гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] 0, 5 М.

а) Взаимодействие цинка с серной кислотой
в отсутствие и присутствии меди

Выполнение работы. Внести в пробирку 1/4 ее объема раствора 2 н H₂SO₄ и 1 гранулу цинка. Отметить выделение водорода на поверхности цинка. Прикоснуться зачищенной медной проволокой к кусочку цинка в пробирке. Отметить изменение интенсивности выделения водорода. На каком металле он выделяется?

Запись данных опыта. Зарисовать схему опыта, записать наблюдения за протеканием реакций.

1. Определить стандартные потенциалы меди и цинка (табл. П. 1)

2. Указать катод и анод; их заряды; записать уравнения катодного и анодного процессов.

3. Составить схему электрохимической коррозии при контакте цинка и меди в растворе кислоты (см. рис. 3).

б) Коррозия оцинкованного и луженого железа

Выполнение работы. В две пробирки налить на 1/2 их объема дистиллированной воды. В каждую добавить по 2 – 3 капли 2 н серной кислоты и гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆]. Растворы перемешать.

В первую пробирку опустить пластину оцинкованного железа, во вторую – луженого. Отметить изменение окраски растворов.

Запись данных опыта. Зарисовать схему опыта, записать наблюдения за протеканием реакций. Учесть, что гексацианоферрат является индикатором наличия в растворе либо ионов Zn²⁺, либо Fe²⁺.

 

, выпадает белый осадок;

, синее окрашивание раствора.

 

Сделать письменный вывод, какой из металлов окисляется при коррозии, и переходит в раствор.

1. Определить стандартные потенциалы железа, олова и цинка (табл. П. 1)

2. Указать катод и анод; их заряды; записать уравнения катодного и анодного процессов для гальванических пар жлезо-цинк и железо-олово.

3. Составить схемы электрохимической коррозии при контакте цинка и железа, а также олова и железа в растворе кислоты (см. рис. 3).