ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (ХИТы). ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Практическое применение электрохимических процессов в машиностроении

Электрохимические процессы широко применяются в научном эксперименте, аналитической химии, технологии машино- и приборостроения. Эти процессы используются в источниках тока, преобразующих хим. Энергию, и при электролизе, где происходит превращение электрической энергии в химическую.

1. Источники электрической энергии (ХИТы).

Все источники эл. энергии, основанные на электрохимических процессах, подразделяют на 2 класса: однократного действия – элементы, и многократного действия - аккумуляторы.

1.1. Сухие гальванические элементы. Эти элементы широко применяют как источники питания для радиоаппаратуры, карманных фонарей и др.

Анодами являются активные металлы (Zn, Mg, Li), катодами – оксиды марганца, меди, серебра, хлориды свинца, меди и др.

Самым распространенным среди сухих ГЭ является марганцево-цинковый элемент. Анодом является цинковый электрод, катод изготовлен из смеси диоксида марганца с графитом (для увеличения электрической проводимости). Токоотвод изготовлен из чистого графита. Электролит – раствор хлорид аммония и загуститель (крахмал, мука).

(-) Zn / NH4Cl / C, MnO2 (+)

(-) A: Zn – 2e = Zn2+

(+) K: 2MnO2 +2e + 2H2O = 2MnO(OH) + 2OH-

Цинковый стаканчик разрушается, образуется пленка труднорастворимого гидроксида Zn2+ + 2OH- = Zn(OH)2, препятствующая дальнейшему протеканию анодного процесса. Для растворения гидроксида цинка применяют хлорид аммония, поэтому анодный процесс описывают уравнением

(-) A: 2Zn + 4NH4Cl + 4OH- = [Zn(NH3)4]Cl2 + ZnCl2 + 4H2O + 4e

Суммарное уравнение токообразующей реакции имеет вид

2Zn + 4NH4Cl + 4MnO2= [Zn(NH3)4]Cl2 + ZnCl2 + 4MnO(OH)

Сухие ГЭ сравнительно дешевы, маловосприимчивы к сотрясениям и механическим воздействиям. На их основе выпускают батареи напряжением от 3 до 102В, емкостью от 0,5 до 30А·ч и массой от 100 г до 20 кг. Главные недостатки всех сухих ГЭ – однократность использования и саморазрядка, понижающая напряжение и емкость.

1.2. Электрохимические аккумуляторы

Аккумуляторами называют устройство, в которых поэтапно происходит преобразование электрической энергии в химическую, а химической – в электрическую. Процесс накопления химической энергии под действием внешнего постоянного тока называют зарядкой, а процесс ее превращения в электрическую – разрядкой.

В настоящее время наиболее распространены свинцовые аккумуляторы. Из свинца с примесью сурьмы (хартблея) отливают пластины ячеистой структуры, собирают в батареи и помещают в корпуса из полипропилена. В ячейки предварительно запрессовывают смесь оксида свинца (II) PbO с глицерином, затвердевающую в виде глицерата свинца. Свинцовые аккумуляторы называют кислотными, поскольку электролитом в них служит раствор серной кислоты. Оксида свинца (II) PbO при взаимодействии с Н2SO4 превращается в сульфат PbSO4, а последний при зарядке восстанавливается до свинца на катоде и окисляется до оксида свинца (4) на аноде. Кислотные аккумуляторы широко применяют на автомобилях, самолетах, электростанциях и др.

При разрядке аккумулятор работает как ГЭ:

(-) А: Pb -2e + SO42- = PbSO4

(+) K: PbO2 + 4H+ +2e + SO42- = PbSO4+ 2H2O

?: PbO2 + 2H2SO4 + Pb= 2PbSO4+ 2H2O

С ростом концентрации кислоты увеличивается ЭДС, но при w > 40% резко уменьшается электропроводность растворов и увеличивается растворимость свинца, поэтому оптимальными являются 32-39% растворы серной кислоты.

Достоинства свинцовых аккумуляторов:

- высокий КПД (до 80%);

- большое число циклов (зарядка-разрядка);

- высокая ЭДС;

- устойчивость в работе.

Недостатки:

- малый срок службы (2-5 лет);

- большая масса;

- токсичность свинца;

- выделение водорода при зарядке.

В промышленности изготавливают щелочные аккумуляторы, среди которых наиболее распространены никель-кадмиевые и никель-железные. Они более долговечны (до 10 лет) и удобны в эксплуатации. В качестве электролита используют раствор КОН.

(-) А: Cd + 2OH- -2e = Cd(OH)2

(+) K: 2NiO(OH) + 2 H2O +2e = 2Ni(OH)2 + 2OH-

?: 2NiO(OH) + 2 H2O +Cd = 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

2. Применение электролиза в технике.

Электролиз используется в технике в таких процессах, как гальванопластика, гальваностегия, электрохимическая обработка поверхностей, очистка от жировых пленок, оксидных слоев (травление). При этом используются катодные и анодные процессы.

2.1. Катодные процессы, идущие с выделением водорода используются для:

- обезжиривания в слабокислых или щелочных растворах (ионы водорода, проникая через слой масла, разряжаются на поверхности металла, и водород, собираясь в пузырьки, уносит с собой пленку масла);

- травления (ионы водорода, диффундируя через пленку оксида, разряжаются на металле и пленка оксида отделяется от металла). При этом водород частично диффундирует в металл и делает его хрупким. Поэтому применяют ингибиторы, которые собираясь на поверхности металла, предотвращают проникновение в него водорода.

- ГАЛЬВАНОСТЕГИЯ –представляет собой нанесение путем электролиза на поверхность металлического изделия других металлов для защиты этого изделия от коррозии, для придания его поверхности твердости, а также в декоративных целях. Важнейшими гальваностегическими процессами являются хромирование, цинкование, никелирование и др.

- ГАЛЬНОПЛАСТИКА – процесс получения точных копий с рельефных рисунков электроосаждением металла. Получают матрицы для прессования различных изделий (пуговиц, граммофонных пластинок), матрицы для радиотехнических схем и др. На формы из алюминия наносят слой меди нужной толщины, а затем алюминий вытравливают кислотой или щелочью.

2.2. Анодные процессы

- травление металла до нужной толщины. Изделия делают анодом (+) и металл начинает растворяться со скоростью, определяемой плотностью тока. Если нужно провести не сплошное, а частичное, то на поверхность изделия наносят «маску» - обычно полимерный лак, на котором вырисовывают нужную форму, подлежащую травлению. Так можно вытравливать шкалы, надписи и др.

- электрополирование заменяет операцию доводки металлических поверхностей, которая особенно трудна при сложной конфигурации изделия и выполняется в ручную. Оставшиеся после обработки участки повышенной активности – выступы, шероховатости – подвергаются растворению, подобрав соответствующий электролит и плотность тока, можно сгладить даже микровыступы и довести поверхность до зеркального блеска.

- анодное оксидирование поверхности изделия для защиты от коррозии и в декоративных целях. Так, например алюминиевое изделие является анодом, коррозионно-стойкая сталь –катодом, электролитом – серная кислота. При протекании тока на катоде выделяется водород, а на аноде образуется очень прочная пленка оксида алюминия, которую пропитывают разными составами для улучшения внешнего вида.

Кроме того, электролизом расплавов получают активные металлы и некоторые их сплавы (натрий, калий, магний и их сплавы);

- Электроэкстракцией из растворов солей получают чистые металлы;

- электролитическим рафинированием производят очистку металлов от примесей.