11.7. Гальванические элементы и аккумуляторы

Гальванические элементы и аккумуляторы позволяют получать электрический ток за счет химических реакций.

Гальванические элементы представляют собой элементы, в которых окислительно-восстановительная реакция может происходить таким образом, что ее движущая сила создает электрическую разность потенциалов. Это достигается разделением окислителя и восстановителя; окислитель затем получает электроны с одного электрода, а восстановитель отдает электроны другому электроду; таким образом, электрический ток в самом элементе переносится ионами.

Аккумуляторы — аналогичные элементы, отличающиеся, однако, тем, что их можно возвратить в первоначальное состояние (можно зарядить) после того, как они отдали электрический ток; для этого достаточно наложить электрический потенциал между электродами, под действием которого окислительно-восстановительная реакция будет идти в обратном направлении.

Обычная сухая батарея

Описание одного из гальванических элементов, концентрационного элемента, дано в разд. 11.5. Такой элемент называют мокрым элементом, поскольку в нем имеется жидкий электролит. Очень удобный элемент— обычная сухая батарея, схема которой приведена на рис. 11.8. 

Такая батарея состоит из цинкового цилиндра, заполненного электролитом в виде пасты из хлорида аммония (NН₄Сl), небольшого количества хлорида цинка (ZnСl₂), воды и диатомовой земли или другого наполнителя. Сухая батарея по существу не является сухой; в пасте, которая служит электролитом, должна присутствовать вода. Центральный электрод изготовляют из смеси угля с двуокисью марганца и окружают пастой из этих двух веществ. На электродах протекают следующие реакции:

Zn → Zn²⁺ + 2e 

2NH₄⁺ + 2МnО₂ + 2е → 2MnO(OH) + 2NH₃

(Ион цинка частично соединяется с аммиаком и образует комплексный ион [Zn(NH₃)₄]²⁺.) Этот элемент дает электрический потенциал около 1,48 В.

Рис. 11.8. Сухая батарея.

Свинцовый аккумулятор

Из аккумуляторов наиболее широкое распространение получили свинцовые аккумуляторы (рис. 11.9). Электролитом в них служит смесь воды с серной кислотой с плотностью около 1,290 г·см^-3 при заряженном состоянии аккумулятора [38% (по массе) H₂SO₄]. Решетчатые пластины таких аккумуляторов изготовляют из свинцового сплава; отверстия в решетке одной пластины заполняют губчатым металлическим свинцом, другой — двуокисью свинца РbO₂. В химической реакции, которая протекает при работе аккумулятора, губчатый свинец является восстановителем, а двуокись свинца — окислителем. При разрядке свинцового аккумулятора идут следующие реакции:

Pb + SO₄^2- → PbSO₄ + 2е

РbO₂ + SO₄^2- + 4Н⁺ + 2е → PbSO₄ + 2Н₂O

Обе эти реакции дают нерастворимое вещество — сульфат свинца PbSO₄, осаждающийся на пластинах. При разрядке аккумулятора содержание серной кислоты в электролите уменьшается и плотность электролита понижается. Отсюда следует, что путем измерения плотности электролита ареометром можно установить, в каком состоянии находится аккумулятор — в заряженном или разряженном.

Аккумулятор заряжают путем наложения потенциала на клеммы, в результате чего приведенные выше электродные реакции протекают в обратном направлении. Один такой элемент в заряженном состоянии дает э. д. с. немногим более 2 В. Шестивольтовый аккумулятор состоит из трех последовательно соединенных элементов, а двенадцативольтовый — из шести.

Интересно, что в свинцовом аккумуляторе на двух пластинах один и тот же химический элемент по-разному изменяет свое состояние окисления: при разрядке аккумулятора окислитель РbO₂ (содержащий свинец в степени окисления +4) переходит в состояние, в котором свинец имеет степень окисления +2, а восстановитель Рb из состояния, в котором свинец имеет степень окисления 0, переходит в состояние со степенью окисления +2. 

Рис. 11.9. Свинцовый аккумулятор.