Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Демонстрационная установка электрохимической ячейки, напоминающая ячейку Даниэля . Две полуячейки связаны солевым мостиком, переносящим ионы между собой. Электроны текут во внешней цепи.

Электрохимическая ячейка представляет собой устройство , способное либо генерировать электрическую энергию от химических реакций , или с использованием электрической энергии , чтобы вызвать химические реакции. Электрохимические ячейки, которые генерируют электрический ток, называются гальваническими ячейками или гальваническими ячейками, а ячейки , которые вызывают химические реакции, например, посредством электролиза , называются электролитическими ячейками . [1] [2] [ необходим лучший источник ] Типичным примером гальванического элемента является стандартный 1,5-вольтовый [3] [ необходим лучший источник ] элементпредназначен для бытового использования. Батареи состоят из одной или нескольких клеток, соединенных параллельно, последовательно или последовательно-параллельных и-шаблона.

Электролитическая ячейка [ править ]

Основная статья: Электролитическая ячейка
Электролитическая ячейка девятнадцатого века для производства кислородсодержащего водорода .

Электролитическая ячейка - это электрохимическая ячейка, которая запускает неспонтанную окислительно - восстановительную реакцию посредством приложения электрической энергии. Они часто используются для разложения химических соединений в процессе, называемом электролизом - греческое слово « лизис» означает распад .

Важными примерами электролиза являются разложение воды на водород и кислород , а бокситов - на алюминий и другие химические вещества. Гальваника (например, из меди, серебра, никеля или хрома) выполняется с помощью электролитической ячейки. Электролиз - это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC).

Электролитическая ячейка состоит из трех частей: электролита и двух электродов ( катода и анода ). Электролита , как правило, раствор из воды или других растворителей , в которых растворены ионы. Расплавленные соли, такие как хлорид натрия , также являются электролитами. Под действием внешнего напряжения, приложенного к электродам, ионы в электролите притягиваются к электроду с противоположным зарядом, где могут происходить реакции передачи заряда (также называемые фарадеевскими или окислительно-восстановительными). Только с внешним электрическим потенциалом(т.е. напряжение) правильной полярности и достаточной величины может электролитическая ячейка разложить обычно стабильное или инертное химическое соединение в растворе. Предоставляемая электрическая энергия может вызвать химическую реакцию, которая в противном случае не произошла бы самопроизвольно.

Гальванический элемент или гальванический элемент [ править ]

Гальванический элемент без катионного потока
Основная статья: Гальванический элемент

Гальванический элемент или гальванический элемент, названный в честь Луиджи Гальвани или Алессандро Вольта, соответственно, представляет собой электрохимический элемент, который получает электрическую энергию от спонтанных окислительно-восстановительных реакций, происходящих внутри элемента. Обычно он состоит из двух разных металлов, соединенных солевым мостиком , или отдельных полуэлементов, разделенных пористой мембраной.

Вольта был изобретателем гальванической батареи , первой электрической батареи . В общепринятом смысле слово «батарея» стало включать в себя один гальванический элемент, но батарея правильно состоит из нескольких элементов. [4]

Первичная ячейка [ править ]

Основная статья: первичная ячейка

Первичный элемент - это гальваническая батарея, которая предназначена для однократного использования и выбрасывания, в отличие от вторичной ячейки ( аккумуляторной батареи ), которую можно заряжать электричеством и повторно использовать. В общем, электрохимическая реакция, происходящая в элементе, необратима, что делает элемент не подзаряжаемым. Поскольку используется первичный элемент, химические реакции в батарее расходуют химические вещества, генерирующие энергию; когда их нет, аккумулятор перестает вырабатывать электричество и становится бесполезным. Напротив, во вторичном элементе реакцию можно обратить вспять, пропустив ток в элемент с помощью зарядного устройства.для его перезарядки, регенерируя химические реагенты. Первичные элементы изготавливаются различных стандартных размеров для питания небольших бытовых приборов, таких как фонарики и портативные радиоприемники.

Первичные батареи составляют около 90% рынка батарей стоимостью 50 миллиардов долларов, но вторичные батареи увеличивают долю рынка. Ежегодно во всем мире выбрасывается около 15 миллиардов первичных батарей, практически все они попадают на свалки. Аккумуляторы являются опасными отходами из-за содержащихся в них токсичных тяжелых металлов и сильных кислот или щелочей . Большинство муниципалитетов относят их к таковым и требуют отдельной утилизации. Энергия, необходимая для изготовления батареи, примерно в 50 раз больше, чем энергия, которую она содержит. [5] [6] [7] [8] [ нужен лучший источник ] Из-за высокого содержания в них загрязняющих веществ по сравнению с их небольшим содержанием энергии первичная батарея считается расточительной и экологически вредной технологией. В основном из-за увеличения продаж беспроводных устройств и беспроводных инструментов , которые не могут экономично питаться от первичных батарей и поставляются со встроенными перезаряжаемыми батареями, индустрия вторичных батарей имеет высокий рост и постепенно заменяет первичные батареи в высококачественных продуктах.

Множество стандартных размеров первичных ячеек. Слева: многокамерная батарея 4,5 В, D, C, AA, AAA, AAAA, A23, многокамерная батарея 9 В, (вверху) LR44, (внизу) CR2032

Дополнительная ячейка [ править ]

Основная статья: Аккумуляторная батарея

Вторичный элемент, обычно называемый перезаряжаемой батареей , представляет собой электрохимический элемент, который может работать как гальванический элемент, так и как электролитический элемент. Это используется как удобный способ хранения электричества, когда ток течет в одну сторону, уровни одного или нескольких химических веществ накапливаются (заряжаются), а во время разряда они уменьшаются, и возникающая в результате электродвижущая сила может работать.

Обычным вторичным элементом является свинцово-кислотная батарея. Обычно это автомобильные аккумуляторы. Они используются из-за высокого напряжения, низкой стоимости, надежности и длительного срока службы. Свинцово-кислотные аккумуляторы используются в автомобиле для запуска двигателя и работы электрических аксессуаров автомобиля, когда двигатель не работает. Генератор после запуска автомобиля подзаряжает аккумулятор.

Топливный элемент [ править ]

Схема протонпроводящего топливного элемента
Основная статья: Топливный элемент

Топливный элемент представляет собой гальванический элемент , который преобразует химическую энергию из топлива в электричество посредством электрохимической реакции водорода топлива с кислородом или другим окислителем . [9] [ необходима страница ] Топливные элементы отличаются от батарей тем, что для поддержания химической реакции требуется постоянный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха), тогда как в батареях химическая энергия поступает из химикатов, уже присутствующих в батарее. Топливные элементы могут производить электричество непрерывно, пока есть топливо и кислород.

Первые топливные элементы были изобретены в 1838 году. Первое коммерческое использование топливных элементов произошло более века спустя в космических программах НАСА для выработки энергии для спутников и космических капсул . С тех пор топливные элементы использовались во многих других областях. Топливные элементы используются для основного и резервного питания коммерческих, промышленных и жилых зданий, а также в удаленных или труднодоступных районах. Они также используются для привода транспортных средств на топливных элементах , включая вилочные погрузчики, автомобили, автобусы, лодки, мотоциклы и подводные лодки.

Существует много типов топливных элементов, но все они состоят из анода , катода и электролита, который позволяет положительно заряженным ионам водорода (протонам) перемещаться между двумя сторонами топливного элемента. На аноде катализатор заставляет топливо подвергаться реакциям окисления, которые генерируют протоны (положительно заряженные ионы водорода) и электроны. Протоны текут от анода к катоду через электролит после реакции. В то же время электроны притягиваются от анода к катоду через внешнюю цепь, создавая постоянный ток.электричество. На катоде другой катализатор заставляет ионы водорода, электроны и кислород вступать в реакцию с образованием воды. Топливные элементы классифицируются по типу используемого электролита и разнице во времени запуска, которое составляет от 1 секунды для топливных элементов с протонообменной мембраной (топливные элементы PEM или PEMFC) до 10 минут для твердооксидных топливных элементов (SOFC). Родственная технология - проточные батареи , в которых топливо можно регенерировать путем перезарядки. Отдельные топливные элементы создают относительно небольшие электрические потенциалы, около 0,7 вольт, поэтому элементы «уложены друг на друга» или размещены последовательно для создания напряжения, достаточного для удовлетворения требований приложения. [10] [ нужен лучший источник ]Помимо электричества топливные элементы производят воду, тепло и, в зависимости от источника топлива, очень небольшие количества диоксида азота и других выбросов. Энергетическая эффективность топливного элемента обычно составляет 40–60%; однако, если отработанное тепло улавливается в схеме когенерации , можно получить КПД до 85%.

Рынок топливных элементов растет, и в 2013 году компания Pike Research подсчитала, что к 2020 году рынок стационарных топливных элементов достигнет 50 ГВт. [11] [ требуется лучший источник ]

Полуклетки [ править ]

Основная статья: Half-cell
Бунзена клетка , изобретенный Роберт Бунзен .

Электрохимическая ячейка состоит из двух полуэлементов. Каждая полуячейка состоит из электрода и электролита . Две полуэлементы могут использовать один и тот же электролит или разные электролиты. В химических реакциях в элементе могут участвовать электролит, электроды или внешнее вещество (как в топливных элементах, которые могут использовать газообразный водород в качестве реагента). В полностью электрохимической ячейке виды из одной полуячейки теряют электроны ( окисление ) на свой электрод, в то время как виды из другой половины ячейки получают электроны ( восстановление ) со своего электрода.

Солевой мостик (например, фильтровальная бумага , пропитанная KNO 3, NaCl, или какой -либо другой электролит) часто используется , чтобы обеспечить контакт между ионной два половинами-клетками с различными электролитами, но предотвратить решения от смешивания и вызывают нежелательные побочные реакции. Альтернативой солевому мостику является обеспечение прямого контакта (и смешивания) между двумя полуэлементами, например, при простом электролизе воды.

Когда электроны текут из одной полуячейки в другую через внешнюю цепь, устанавливается разница в заряде. Если бы ионный контакт не был обеспечен, эта разница зарядов быстро предотвратила бы дальнейший поток электронов. Солевой мостик позволяет потоку отрицательных или положительных ионов поддерживать устойчивое распределение заряда между сосудами для окисления и восстановления, сохраняя при этом содержимое отдельно. Другими устройствами для разделения растворов являются пористые емкости и загущенные растворы. В ячейке Бунзена используется пористый горшок (справа).

Равновесная реакция [ править ]

Каждая полуячейка имеет характеристическое напряжение. Различный выбор веществ для каждой полуячейки дает разные разности потенциалов. Каждая реакция подвергается равновесной реакции между различными состояниями окисления ионов: когда равновесие достигнуто, ячейка не может обеспечивать дополнительное напряжение. В полуячейке, которая подвергается окислению, чем ближе находится равновесие к иону / атому с более положительной степенью окисления, тем больший потенциал будет обеспечивать эта реакция. Аналогично, в реакции восстановления, чем ближе равновесие к иону / атому с более отрицательной степенью окисления, тем выше потенциал.

Потенциал клетки [ править ]

Потенциал ячейки можно предсказать, используя потенциалы электродов (напряжения каждой полуячейки). Эти потенциалы полуэлементов определены относительно присвоения 0 вольт стандартному водородному электроду (SHE). (См. Таблицу стандартных электродных потенциалов ). Разница в напряжении между потенциалами электродов дает предсказание для измеренного потенциала. При расчете разницы в напряжении необходимо сначала переписать уравнения реакции полуэлемента, чтобы получить сбалансированное уравнение окисления-восстановления.

  1. Обратить реакцию восстановления с наименьшим потенциалом (для создания реакции окисления / общего положительного потенциала клетки)
  2. Половина реакции необходимо умножить на целые числа, чтобы достичь баланса электронов.

Возможный диапазон потенциалов ячеек составляет примерно от нуля до 6 вольт. Элементы, использующие электролиты на водной основе, обычно ограничиваются потенциалом элемента менее примерно 2,5 вольт из-за высокой реакционной способности мощных окислителей и восстановителей с водой, которая необходима для получения более высокого напряжения. Более высокие потенциалы клеток возможны, если клетки используют другие растворители вместо воды. Например, широко доступны литиевые элементы с напряжением 3 вольта.

Потенциал ячейки зависит от концентрации реагентов, а также от их типа. По мере того, как ячейка разряжается, концентрация реагентов уменьшается, и потенциал ячейки также уменьшается.

См. Также [ править ]

  • Деятельность (химия)
  • Обозначение ячейки
  • Электрохимический потенциал
  • Электрохимическая инженерия
  • Аккумулятор (электричество)
  • Аккумуляторная батарея
  • Топливная ячейка
  • Проточная батарея

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Электролитические ячейки" . Государственный университет Джорджии . Проверено 17 мая 2018 года .
  2. ^ «Электрохимические ячейки» . Государственный университет Джорджии . Проверено 17 мая 2018 года .
  3. ^ "Электрохимическая ячейка" . BYJU'S . Проверено 28 октября, 2020 .
  4. ^ Гоув, Филип Бэбкок , изд. (2002) [1961]. "аккумулятор". Третий новый международный словарь Вебстера, полный . Merriam-Webster Inc. стр. 187. ISBN. 978-0-87779-201-7. 6 a: комбинация устройств для создания одного электрического эффекта <a ~ динамо> b (1): группа из двух или более ячеек, соединенных вместе для подачи электрического тока (2): одиночный гальванический элемент
  5. ^ Hill, Marquita K. (2004). Понимание загрязнения окружающей среды: учебник . Издательство Кембриджского университета . п. 274. ISBN 978-0-521-82024-0. Для производства одноразовой батареи требуется примерно в 50 раз больше энергии, чем она дает при использовании.
  6. ^ Уоттс, Джон (2006). Gcse Edexcel Science . Леттс и Лонсдейл . п. 63. ISBN 978-1-905129-63-8.
  7. ^ Wastebusters Ltd. (2013). Руководство Зеленого офиса: Руководство по ответственной практике . Рутледж . п. 96. ISBN 978-1-134-19798-9.
  8. ^ Данахер, Кевин ; Биггс, Шеннон; Марк, Джейсон (2016). Построение зеленой экономики: истории успеха с широких масс . Рутледж . п. 199. ISBN 978-1-317-26292-3.
  9. ^ Хурми, RS; Седха, RS (2008). Материаловедение . ISBN 978-81-219-0146-8.
  10. ↑ Прекрасно, Карим; Стрикленд, Джонатан. «Как работают топливные элементы» . HowStuffWorks . Проверено 4 августа 2011 года .
  11. ↑ Прабху, Рахул Р. (13 января 2013 г.). «Объем рынка стационарных топливных элементов достигнет 350 000 отгрузок к 2022 году» . Кампания «Возродить Индию» . Архивировано 19 января 2013 года . Проверено 14 января 2013 года .CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )