23.7: Акумулятори

Перший «вольтаїчний елемент» Алессандро Вольта розробив в 1800 році. Ця батарея складалася з чергуються дисків з цинку і срібла, з шматочками картону, просоченого розсолом, які відокремлювали диски. У той час не було вольтметрів (і ніякого розуміння того, що електричний струм був обумовлений потоком електронів). Отже, Volta довелося покладатися на інший показник міцності акумулятора: кількість виробленого удару (ніколи не буває гарною ідеєю перевірити речі на собі). Він виявив, що інтенсивність удару збільшувалася з кількістю металевих пластин в системі. Пристрої з двадцятьма пластинами видавали шок, який був досить болючим. Пощастило, що сьогодні у нас є вольтметри для вимірювання електричного струму, замість того, щоб випробувати напругу на собі! Дві варіації основного вольтаїчного елемента - це суха батарея та свинцева акумуляторна батарея.

Батареї: Сухі клітини

Багато поширених акумуляторів, таких як ті, що використовуються у ліхтарику або пульті дистанційного керування, є вольтаїчними сухими елементами. Ці батареї називаються сухими елементами, оскільки електроліт є пастою. Вони відносно недорогі, але не служать довго і не перезаряджаються.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Цинк-вуглецевий сухий елемент.

У цинк-вуглецевої сухої осередку анод являє собою ємність з цинком, тоді як катод - вуглецевий стрижень через центр осередку. Паста виготовлена з оксиду марганцю (IV)\(\left( \ce{MnO_2} \right)\)\(\left( \ce{NH_4Cl} \right)\), хлориду амонію та хлориду цинку\(\left( \ce{ZnCl_2} \right)\) у воді. Напівреакції для цієї сухої клітини:

Анод (окислення):

\[\ce{Zn} \left( s \right) \rightarrow \ce{Zn^{2+}} \left( aq \right) + 2 \ce{e^-}\nonumber \]

Катод (редукційний):

\[2 \ce{MnO_2} \left( s \right) + 2 \ce{NH_4^+} \left( aq \right) + 2 \ce{e^-} \rightarrow \ce{Mn_2O_3} \left( s \right) + 2 \ce{NH_3} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]

Паста перешкоджає вільному перемішуванню вмісту сухопарника, тому сольовий місток не потрібен. Вуглецевий стрижень є тільки провідником і не піддається відновленню. Напруга, що виробляється свіжим сухим елементом\(1.5 \: \text{V}\), є, але зменшується під час використання.

Лужна батарея - це варіація на цинк-вуглецевої сухої клітини. Лужна батарея не має вугільного стрижня і використовує пасту з металу цинку і гідроксиду калію, замість твердого металевого анода. Полуреакція катода однакова, але анодна напівреакція різна.

Анод (окислення):

\[\ce{Zn} \left( s \right) + 2 \ce{OH^-} \left( aq \right) \rightarrow \ce{Zn(OH)_2} \left( s \right) + 2 \ce{e^-}\nonumber \]

Переваги лужної батареї в тому, що вона має більш тривалий термін придатності, а напруга при використанні не знижується.

Свинцеві акумуляторні батареї

Батарея - це група електрохімічних елементів, об'єднаних між собою як джерело постійного електричного струму при постійній напрузі. Сухі клітини не є справжніми батареями, оскільки вони є лише однією коміркою. Свинцевий акумулятор зазвичай використовується як джерело живлення в автомобілі та інших транспортних засобах. Він складається з шести однакових осередків, з'єднаних між собою, кожна з яких має свинцевий анод і катод, виготовлений з оксиду свинцю (IV),\(\left( \ce{PbO_2} \right)\) упакованого на металеву пластину.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Свинцевий акумуляторний акумулятор, такий як ті, що використовуються в автомобілі, складається з шести однакових електрохімічних елементів і є акумуляторною.

Катод і анод обидва занурені у водний розчин сірчаної кислоти, яка виконує роль електроліту. Клітинними реакціями є:

Анод (окислення):

\[\ce{Pb} \left( s \right) + \ce{SO_4^{2-}} \left( aq \right) \rightarrow \ce{PbSO_4} \left( s \right) + 2 \ce{e^-}\nonumber \]

Катод (редукційний):

\[\ce{PbO_2} \left( s \right) + 4 \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{SO_4^{2-}} \left( aq \right) + 2 \ce{e^-} \rightarrow \ce{PbSO_4} \left( s \right) + 2 \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]

Загальний:

\[\ce{Pb} \left( s \right) + \ce{PbO_2} \left( s \right) + 4 \ce{H^+} \left( aq \right) + 2 \ce{SO_4^{2-}} \left( aq \right) \rightarrow 2 \ce{PbSO_4} \left( s \right) + 2 \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]

Кожна комірка в свинцевому акумуляторі виробляє\(2 \: \text{V}\), тому загальна кількість\(12 \: \text{V}\) генерується всією батареєю. Це використовується для запуску автомобіля або харчування інших електричних систем.

На відміну від сухих елементів, свинцева акумуляторна батарея є акумуляторною. Зверніть увагу, що пряма окислювально-відновна реакція генерує твердий сульфат свинцю (II), який повільно накопичується на пластин. Додатково знижується концентрація сірчаної кислоти. Коли автомобіль працює нормально, його генератор заряджає акумулятор, змушуючи вищевказані реакції працювати в протилежному, або неспонтанному напрямку.

\[2 \ce{PbSO_4} \left( s \right) + 2 \ce{H_2O} \left( l \right) \rightarrow \ce{Pb} \left( s \right) + \ce{PbO_2} \left( s \right) + 4 \ce{H+} \left( aq \right) + 2 \ce{SO_4^{2-}} \left( aq \right)\nonumber \]

Ця реакція регенерує свинець, оксид свинцю (IV) та сірчану кислоту, необхідну для нормальної роботи акумулятора. Теоретично свинцева акумуляторна батарея повинна прослужити вічно. На практиці перезарядка не\(100\%\) ефективна, тому що частина сульфату свинцю (II) падає з електродів і збирається на дні осередків.

Резюме

• Наведено конструкцію сухопарника і батареї.
• Описані хімічні реакції для обох типів.