Доктор химических наук, профессор А. В. Чуриков

Доктор химических наук, профессор И. А. Казаринов

Предмет настоящего курса – электрохимические системы, которые используются в современных химических источниках тока (ХИТ). Жизнь современного общества невозможно представить без использования ХИТ. Они нашли широчайшее применение как автономные источники электроэнергии для питания всевозможной электронной аппаратуры, компьютеров, радиотелефонов, часов и многого другого. Они незаменимы на транспорте, в автомобилях, в промышленности, в космических аппаратах, в военной технике и во многих других областях.

ХИТ – это устройство, в котором химическая энергия НЕПОСРЕДСТВЕННО превращается в электрическую энергию. Устройство для этого преобразования и будет называться «химическим источником тока» или «гальваническим элементом» или «электрохимическим элементом» или «электрохимической ячейкой». Все другие устройства предполагают ОПОСРЕДОВАННОЕ превращение химической энергии в электрическую энергию. Например, топливо сжигается, его химическая энергия превращается в тепло, за счет которого вода превращается в водяной пар, поток пара вращает турбину, которая генерирует электроэнергию.

Основой работы ХИТ является химическая реакция взаимодействия окислителя и восстановителя. В процессе взаимодействия окислитель, восстанавливаясь, присоединяет электроны, а восстановитель, окисляясь, отдает электроны. Чтобы энергия этой реакции не выделялась в виде тепла, а превращалась в электрическую энергию, процессы окисления и восстановления должны быть пространственно разделены. Электрохимическим методом можно также обратно преобразовать электрическую энергию в химическую и таким образом накапливать, аккумулировать электрическую энергию в химической форме. Перезаряжаемую электрохимическую ячейку многократного действия называют также «аккумулятор».

Простейшая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных проводником второго рода, т. е. ионным проводником или электролитом. Электролит необходим для предотвращения непосредственного перехода электронов от восстановителя к окислителю.

Окислитель │ ионный проводник │ восстановитель

катод электролит анод

← ∆jк → ← ∆jа →

Электродом называют проводник первого рода, находящийся в контакте с ионным проводником. На границе между этими проводниками возникает скачок потенциала, называемый Электродным потенциалом. Электрод, на котором протекает окисление восстановителя, называют Анодом, электрод, на котором протекает восстановление окислителя – катодом. Совокупность окислителя, восстановителя и ионного проводника называется Электрохимической системой.

По принципу работы ХИТ подразделяют на Первичные, вторичные и топливные элементы. Первичные ХИТ (гальванические элементы) – одноразовые, содержат активные вещества в электродах, а после полного расходования активных веществ источники становятся неработоспособными и требуют замены новыми. Самыми распространенными являются гальванические элементы цинк-диоксидмарганцевой электрохимической системы:

(–) (анод) Zn │ NH4Cl, H2O │ MnO2, смесь с углеродом (катод) (+)

Или

(–) (анод) Zn │ КОН, Н2О │ MnO2, смесь с углеродом (катод) (+)

На отрицательном электроде (аноде) окисляется цинк

Zn + 2OH– → Zn(OH)2 + 2ē

На положительном электроде (катоде) восстанавливается диоксид марганца

2MnO2 + 2H2O + 2ē → 2MnOOH + 2OH–

Обе электродные полуреакции являются СОПРЯЖЕННЫМИ – их скорости всегда равны. Суммарная реакция называется ТОКООБРАЗУЮЩЕЙ:

Zn + 2MnO2 + 2H2O → Zn(OH)2 + 2MnOOH

При этом электроны переносятся через внешнюю цепь от анода к катоду, гидроксид-ионы движутся в растворе от катода, где они образуются, к аноду, где они расходуются, но суммарная их концентрация не меняется. Цинк окисляется – переходит из состояния со степенью окисления 0 в степень окисления +2, а марганец восстанавливается – переходит из четырехвалентного в трехвалентное состояние. Почти все используемые в быту гальванические элементы являются цинк-диоксидмарганцевыми.

Вторичные ХИТ (Аккумуляторы) после разряда, т. е. после израсходования активных масс могут быть приведены в рабочее состояние пропусканием электрического тока через элемент в обратном направлении. Если в рассмотренном выше примере заменить диоксид марганца (который при определенных условиях тоже может обратимо работать в водном растворе) на оксид серебра Ag2O, мы получим цинк-серебряный аккумулятор, т. к. пара Ag2O/Ag способна к обратимому окислению-восстановлению в водном щелочном растворе. Токообразующая реакция имеет вид

разряд

Zn + Ag2O ↔ 2Ag + ZnO

Заряд