Электр тогын тудыратын электрохимиялық процесстер қайтымды болса, гальваникалық элементте қайтымды ЭҚК 1-ге тең Якоби-Даниэль элементін мысалға алайық. Элементтің электродына гальваникалық элементтердің ЭҚК –не тең, бірақ таңбасы бойынша қарама-қарсы, яғни Е0 = -1,1 В (сурет 8) сыртқы потенциал айырымы салынған.
1 - +
Г
К
V
R
-
2 +
1- гальваникалық элемент; 2-аккумулятор батареясы;
R – кергілер, Г-гальвонометр.
Сурет 8
Бұл жағдайда гальваникалық элемент, оның ЭҚК –і сыртқы потенциалдар айырымына тең болғандықтан электр тогын бермейді. Бірақ жылжымалы контакт К біраз солға ауытқыса ( яғни сыртқы потенциалдар айырымы азайса) элементте өздігінен жүретін тотығу – тотықсыздану процесінің нәтижесінде әлсіз электр тогы жүре бастайды:
теріс электрод (катод) – тотығу Zn -2ē →Zn2+
оң электрод (анод) – тотықсыздану Cu2+ +2 ē → Cu
Жалпы ток түзуші реакция Zn +Cu2+ → Zn2+ +Cu
Осындай жағдайда жылжымалы жалғағыш К компенсациялық нүктеден біраз оңға қарай жылжыса, гальваникалық элементте тұрақты ток өтеді және электродтарда тотығу-тотықсыздану процесі, яғни электролиз процесі жүреді. Сол теріс электрод (катод)- тотықсыздану Zn2++2 ē → Zn , оң электрод (анод)-Cu -2ē → Cu2+.
Жалпы электролиз теңдеуі Zn2+ +Cu → Zn +Cu2+ . Электролиз кезінде химиялық реакциялар сыртқы ток көзінің электр энергиясының әсерінен жүреді, бұл кезде тотығу процесі анодта, ал тотықсыздану процесі катодта жүреді. Гальваникалық элементте химиялық тотығу – тотықсыздану реакциялары өздігінен жүреді, мұнда тотығу теріс электродта, ал тотықсыздану оң электродта жүреді.
Қайтымды гальваникалық элементтердің жұмысының жалпы реакция теңдеуі былай жазылады: Zn +Cu2+ ↔ Zn2+ +Cu
Қайтымсыз элемент ретінде Вольт элементін қарастыруға болады.
(-) Zn │Н2SO4│Cu (+)
Онда жүретін химиялық процесс: сол теріс электрод (катод) тотығу
Zn -2ē →Zn2+
оң электрод (катод) – тотықсыздану 2Н+ +2 ē → Н2 . Жалпы ток түзуші реакция
Zn +2Н+ →Zn2++ Н2.
Электролиз кезінде мүлдем басқа электродтық процестер жүреді. Сол теріс электрод (катод) – тотықсыздану Zn2++2 ē → Zn , оң электрод (анод) – тотығу Cu -2ē → Cu2+. Жалпы электролиз реакциясы
Zn2+ +Cu → Zn +Cu2+.
Вольттің гальваникалық элементтердің жұмысы кезіндегі процесспен электролиз кезіндегі процесстер сәйкес келмейді. Вольт элементі қайтымсыз, мұндай элементтер жұмысының жалпы реакциясын мына түрде жазады:
Zn+2Н+ →Zn2++ Н2.
Қайтымсыз элементтердің жұмысы кезінде ЭҚК гальваникалық поляризацияның әсерінен тез төмендейді. Вольттің гальваникалық элементі өзінің қарапайымдылығына қарамастан практикада көп қолданылмайды, себебі оның жұмысы кезінде ЭҚК – і тез төмендейді. Құбылыстың мәні мынада жұмыс процесі кезінде бөлінген сутегі оң электродта тотықсыздану реакциясының нәтижесінде мыс пластинкасымен адсорбцияланады. Нәтижесінде құрамы басқа электрод алынады – мыс электродының орнына сутектік электрод алынады және Вольттің гальваникалық элементі мына тізбекке айналады: (-)Zn │Н2SO4│ Н2,Cu (+).
Электродтың химиялық табиғаты өзгереді, бұдан оң электродтың электродтық потенциалы төмендейді. Сонымен қатар адсорбцияланған сутегі көп жағдайда электродтағы негізгі химиялық реакцияның жүруіне кедергі жасайды, мыс электродының бетіне сутек иондарының келуіне кедергі келтіреді. Мұның бәрі ЭҚК –ң шамасын төмендетіп, күшті әсер етеді.
Гальваникалық элементтің ЭҚК-ң азаю құбылысы гальваникалық поляризация деп аталады. Қарастырылған жағдайда поляризация химиялық болады, өйткені ол электродтың химиялық табиғатының өзгеруі және электродтағы негізгі химиялық реакциялардың жүру жылдамдығының азаюының нәтижесі болып табылады. Басқа жағдайда, мысалы, Якоби-Даниэль элементтерінің жұмысы кезінде поляризация ЭҚК-н төмендеуіне электролит концентрациясының өзгеруіне байланысты. Мұндай поляризация концентрациялық деп аталады.
Поляризация – барлық гальваникалық элементтер үшін қолайсыз құбылыс. Сондықтан оны жоюға немесе максимал мөлшерде төмендетуге тырысады. Поляризацияны төмендету процесі деполяризация деп аталады. Химиялық поляризацияны ерітіндіге деполяризаторлар қосу арқылы жояды. Сутектік поляризацияны жою үшін деполяризаторлар ретінде әр түрлі тотықтырғыштар (MnO2, K2Cr2O7) қолданылады. Концентрациялық поляризацияны электролит ерітіндісін араластыру арқылы азайтады.
8 Гальваникалық элементтерді қолдану
1) Гальваникалық элементтер тұрақты электр тогының көзі болып табылады. Олар бір ретті қолданбалы (техникалық гальваникалық элементтер), көп ретті қолданбалы аккумуляторлар болады.
Барлық шығарылатын гальваникалық элементтерде бір ғана электролит және барлығында теріс электрод ретінде мырыш қолданылады. Ол активті химиялық тұрақты және арзанға түседі. Оң электрод ретінде орташа активті металдардың тотықтары қолданылады. (MnO2, CuО) электролит ретінде қышқыл, сілті немесе хлорлы аммоний ерітінділері қолданылады.
Қазіргі кезде марганец-мырыш гальваникалық элементі кең қолданылады. Бұл элементтің бірнеше түрі бар, бірі Локланштың “құрғақ” элементі, қысқартылған түрде МЦ. Оның бір электроды мырыш, екіншісі маргенец (VI) оксидінен тұрады. Оған электр тогының өткізгіші болатын графит электроды тығыздалған. Екі электродта 20% -тік хлорлы аммоний ерітіндісіне батырылған.
Zn │NH4Cl │ MnO2, C; ЭҚК = 1,55В
Жұмыс кезінде электродтарда төмендегідей процестер жүреді: теріс электродта тотығу, 2Zn -4ē → 2Zn2+ түзілген Zn2+ иондарының бір бөлігі аммиак молекулаларымен комплексті ионда бірігеді.
2Zn2+ +4NH3 ↔ Zn2+ + [Zn(NH3)4]2+
аммиак хлорлы аммоний гидролизінің нәтижесінде түзіледі.
4NH4Cl + 4H2O ↔ 4HCl+ 4NH4OH
4HCl↔ 4H++4Cl-
NH4OH↔ NH3 + H2O
оң электродта – тотығу-тотықсыздану
4MnO2 +4 ē + H2O → 2Mn2O3 + 4OH-
Жалпы процесс қайтымсыз
2Zn + 4MnO2 +4NH4Cl→ ZnСІ2 + [Zn(NH3)4]СІә +2Mn2O3+ 2H2O
Көп ретті қолданбалы химиялық ток көздерін – аккумуляторлар деп атайды. Аккумуляторлар – электролиз кезінде электродтартың химиялық поляризациясы нәтижесінде пайда болатын қайтымды гальваникалық элемент. Кез-келген қайтымды гальваникалық элемент аккумуляторлар бола алады. Практикада аккумулятор ретінде қолданылып жүрген элементтер төмендегідей қасиеттермен сипатталады.
а) Электрод материалдары электрод процестерінің қайтымдылығы максимал болуы үшін таңдап алынған. Бұл қайта зарядтауды басқа заттарды қоспай-ақ жүргізуге мүмкіндік береді.
ә) Мұндай элементтердің ЭҚК-і үлкен мәнді және жұмыс уақытында тұрақты болу керек.
б) Аккумулятордың электр сыйымдылығы үлкен болу керек.
Практикада кең қолданылатын аккумуляторлар:
Қышқылды немесе қорғасынды Pb│H2SO4│ PbO2, Pb
Негіздік: темір-никельді Fe│KOH │Ni(OH)3,Ni
кадмий-никельді Cd │KOH│ Ni(OH)3,Ni
мырыш-күмісті Zn │KOH│Ag2O,Аg
Көп қолданылатындары қорғасын мен темір – никельді аккумуляторлар.
Қорғасын аккумуляторының электрохимиялық схемасы:
Pb, PbSO4│H2SO4 (25-30%) │ PbSO4, Pb
<предыдущая страница | следующая страница>