11.7. Гальванічні елементи та акумулятори

Гальванічні елементи та акумулятори дають змогу одержувати електричний струм за рахунок хімічних реакцій.

Гальванічні елементи — це елементи, у яких окисно-відновна реакція може відбуватися так, що її рушійна сила створює електричну різницю потенціалів. Це досягається розділенням окисника та відновника; окисник потім одержує електрони з одного електрода, а відновник віддає електрони іншому електроду; таким чином, електричний струм у самому елементі переноситься іонами.

Акумулятори — аналогічні елементи, які відрізняються, однак, тим, що їх можна повернути в первісний стан (можна зарядити) після того, як вони віддали електричний струм; для цього достатньо накласти електричний потенціал між електродами, під дією якого окисно-відновна реакція йтиме в зворотному напрямку.

Опис одного з гальванічних елементів, концентраційного елемента, подано в підрозд. 11.5. Такий елемент називають мокрим елементом, оскільки в ньому є рідкий електроліт. Дуже зручний елемент — звичайна суха батарея, схему якої наведено на рис. 11.8. 

Така батарея складається з цинкового циліндра, заповненого електролітом у вигляді пасти з амоній хлориду (NH₄Cl), невеликої кількості цинк хлориду (ZnCl₂), води та діатомової землі або іншого наповнювача. Суха батарея, по суті, не є сухою; у пасті, що слугує електролітом, має бути вода. Центральний електрод виготовляють зі суміші вугілля з манган(IV) оксидом і оточують пастою з цих двох речовин. На електродах відбуваються такі реакції:

Zn → Zn²⁺ + 2e 

2NH₄⁺ + 2MnO₂ + 2e → 2MnO(OH) + 2NH₃

(Іон цинку частково сполучається з амоніаком і утворює комплексний іон [Zn(NH₃)₄]²⁺.) Цей елемент дає електричний потенціал близько 1,48 В.

Рис. 11.8. Суха батарея.

З акумуляторів найбільшого поширення набули свинцеві акумулятори (рис. 11.9). Електролітом у них слугує суміш води із сульфатною кислотою густиною близько 1,290 г·см^-3 у зарядженому стані акумулятора [38% (за масою) H₂SO₄]. Ґратчасті пластини таких акумуляторів виготовляють зі свинцевого сплаву; отвори в ґратці однієї пластини заповнюють губчастим металевим свинцем, іншої — плюмбум(IV) оксидом PbO₂. У хімічній реакції, що відбувається під час роботи акумулятора, губчастий свинець є відновником, а плюмбум(IV) оксид — окисником. Під час розряджання свинцевого акумулятора відбуваються такі реакції:

Pb + SO₄^2- → PbSO₄ + 2e

PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2e → PbSO₄ + 2H₂O

Обидві ці реакції дають нерозчинну речовину — плюмбум(II) сульфат PbSO₄, що осідає на пластинах. Під час розряджання акумулятора вміст сульфатної кислоти в електроліті зменшується і густина електроліту знижується. Звідси випливає, що вимірюванням густини електроліту ареометром можна встановити, у якому стані перебуває акумулятор — у зарядженому чи розрядженому.

Акумулятор заряджають, накладаючи потенціал на клеми, унаслідок чого наведені вище електродні реакції відбуваються у зворотному напрямку. Один такий елемент у зарядженому стані дає ЕРС трохи більше 2 В. Шестивольтовий акумулятор складається з трьох послідовно з'єднаних елементів, а дванадцятивольтовий — із шести.

Цікаво, що в свинцевому акумуляторі на двох пластинах один і той самий хімічний елемент по-різному змінює свій стан окиснення: під час розряджання акумулятора окисник PbO₂ (що містить Плюмбум у ступені окиснення +4) переходить у стан, у якому Плюмбум має ступінь окиснення +2, а відновник Pb зі стану, у якому Плюмбум має ступінь окиснення 0, переходить у стан зі ступенем окиснення +2. 

Рис. 11.9. Свинцевий акумулятор.