Крыніцы току хімічныя. Віды хімічных крыніц току і іх прылада

Крыніцы току хімічныя (скарочана ХІТ) - прыстасаванні, у якіх энергія акісляльна-аднаўленчай рэакцыі пераўтворыцца ў электрычную. Іншыя іх назвы - электрахімічны элемент, гальванічны элемент , электрахімічная вочка. Прынцып іх дзеяння складаецца ў наступным: у выніку ўзаемадзеяння двух рэагентаў адбываецца хімічная рэакцыя з вылучэннем энергіі пастаяннага электрычнага току. У іншых крыніцах току працэс атрымання электраэнергіі адбываецца па шматступеннай схеме. Спачатку вылучаецца цеплавая энергія, затым яна ператвараецца ў механічную і толькі пасля гэтага ў электрычную. Перавага ХІТ - одноступенчатую працэсу, то ёсць электрычнасць атрымліваецца адразу, абмінаючы стадыі атрымання цеплавой і механічнай энергій.

гісторыя

Як з'явіліся першыя крыніцы току? хімічныя крыніцы атрымалі назву гальванічных элементаў у гонар італьянскага вучонага васемнаццатага стагоддзя - Луіджы Гальвани. Ён быў лекарам, анатома, фізіёлагам і фізікам. Адным з накірункаў яго даследаванняў было вывучэнне рэакцый жывёл на розныя вонкавыя ўздзеянні. Хімічны спосаб атрымання электраэнергіі быў адкрыты Гальвани выпадкова, падчас аднаго з досведаў над жабамі. Ён падлучыў да згалелым нерве на жабіны лапцы дзве металічныя пласціны. Пры гэтым адбылося мускульнай скарачэнне. Ўласнае тлумачэнне гэтай з'явы Гальвани было няслушным. Але вынікі яго досведаў і назіранняў дапамаглі яго суайчынніку Алесандра Вольта ў наступных даследаваннях.

Вольта выклаў у сваіх працах тэорыю ўзнікнення электрычнага току ў выніку хімічнай рэакцыі паміж двума металамі пры кантакце з мускульнай тканінай жабы. Першы хімічны крыніца току выглядаў як ёмістасць з саляным растворам, з пагружанымі ў яго пласцінамі з цынку і медзі.

У прамысловых маштабах ХІТ пачалі вырабляцца яшчэ ў другой палове дзевятнаццатага стагоддзя, дзякуючы французу Лекланше, які вынайшаў першасны марганцево-цынкавы элемент з солевым электралітам, названы яго імем. Праз некалькі гадоў гэтая электрахімічная вочка была ўдасканалена іншым навукоўцам і з'яўлялася адзіным першасным хімічным крыніцай току да 1940 года.

Прылада і прынцып працы ХІТ

Прылада хімічных крыніц току ўключае ў сябе два электрода (праваднікі першага роду) і які знаходзіцца паміж імі электраліт (правадыр другога роду, або іённы правадыр). На мяжы паміж імі ўзнікае электронны патэнцыял. Электрод, на якім адбываецца акісленне аднаўляльніка называюць анодам, а той, на якім адбываецца аднаўленне акісляльніка, - катодам. Разам з электралітам яны складаюць электрахімічную сістэму.

Пабочным вынікам акісляльна-аднаўленчай рэакцыі паміж электродамі з'яўляецца ўзнікненне электрычнага току. Пад час адной такой рэакцыі аднаўляльнік акісляецца і аддае электроны акісляльнік, які іх прымае і за кошт гэтага аднаўляецца. Прысутнасць паміж катодам і анодам электраліта з'яўляецца неабходным умовай рэакцыі. Калі проста змяшаць паміж сабой парашкі з двух розных металаў, ніякага выдзялення электраэнергіі не адбудзецца, уся энергія вылучыцца ў выглядзе цяпла. Электраліт патрэбен, каб ўпарадкаваць працэс пераходу электронаў. Часцей за ўсё ў яго якасці выступае солевы раствор або расплаў.

Электроды выглядаюць як металічныя пласціны або кратаў. Пры іх апусканні ў электраліт ўзнікае рознасць электрычных патэнцыялаў паміж імі - напружанне растуленым ланцугу. Анод мае тэндэнцыю да аддачы электронаў, а катод - да іх прыняцьця. На іх паверхні пачынаюцца хімічныя рэакцыі. Яны спыняюцца пры расплюшчванні ланцуга, а таксама калі выдаткаваны адзін з рэагентаў. Размыканне ланцуга адбываецца пры выдаленні аднаго з электродаў або электраліта.

Склад электрахімічных сістэм

Крыніцы току хімічныя ў якасці акісляльнікаў выкарыстоўваюць Кіслародзмяшчальныя кіслаты і солі, кісларод, галоиды, вышэйшыя аксіды металаў, нитроорганические злучэнні і т. Д. Адраджэнцам ў іх з'яўляюцца металы і іх ніжэйшыя аксіды, вадарод і вуглевадародныя злучэння. Як электраліты выкарыстоўваюцца:

1. Водныя растворы кіслот, шчолачаў, солевыя і т. Д.
2. Неводную растворы з іённай праводнасцю, атрыманыя пры растварэнні соляў у арганічных або неарганічных растваральніках.
3. Расплавы соляў.
4. Цвёрдыя злучэння з іённай кратамі, у якой адзін з іёнаў рухомы.
5. Матрычныя электраліты. Гэта вадкія растворы або расплавы, якія знаходзяцца ў порах цвёрдага які не праводзіць цела - электраносьбіты.
6. Іонаабменных электраліты. Гэта цвёрдыя злучэння з фіксаванымі ионогенными групамі аднаго знака. Іёны іншага знака пры гэтым рухомыя. Гэта ўласцівасць робіць праводнасць такога электраліта униполярной.

гальванічныя батарэі

Крыніцы току хімічныя складаюцца з гальванічных элементаў - вочак. Напружанне ў адной з такіх вочак невяліка - ад 0,5 да 4В. У залежнасці ад патрэбы, у ХІТ выкарыстоўваюць гальванічную батарэю, якая складаецца з некалькіх паслядоўна злучаных элементаў. Часам ужываецца паралельнае ці паслядоўна-паралельнае злучэнне некалькіх элементаў. У паслядоўную ланцуг заўсёды ўключаюць выключна аднолькавыя першасныя вочкі ці акумулятары. Яны павінны мець адны і тыя ж параметры: электрахімічную сістэму, канструкцыю, тэхналагічны варыянт і тыпаразмер. Для паралельнага злучэння дапушчальна выкарыстанне элементаў рознага тыпаразмеру.

класіфікацыя ХІТ

Хімічныя крыніцы току адрозніваюцца па:

• памеры;
• канструкцыі;
• рэагентаў;
• прыродзе энергообразующей рэакцыі.

Гэтыя параметры вызначаюць эксплуатацыйныя ўласцівасці ХІТ, прыдатныя для пэўнай вобласці ўжывання.

Класіфікацыя электрахімічных элементаў заснавана на адрозненні ў прынцыпе працы прылады. У залежнасці ад гэтых характарыстык, адрозніваюць:

1. Першасныя хімічныя крыніцы току - элементы аднаразовага дзеянні. У іх ёсць пэўны запас рэагентаў, які выдаткоўваецца пры рэакцыі. Пасля поўнага разраду такая вочка губляе працаздольнасць. Па-іншаму першасныя ХІТ называюць Гальванічныя элементы. Верным будзе і называць іх проста - элемент. Самыя простыя прыклады першаснай крыніцы харчавання - "батарэйка" А-А.
2. Перезаряжаемые хімічныя крыніцы току - акумулятары (іх таксама называюць другаснымі, зварачальнымі ХІТ) з'яўляюцца шматразовымі элементамі. Шляхам прапускання току ад знешняй ланцугу ў зваротным кірунку праз акумулятар пасля поўнага разраду выдаткаваныя рэагенты рэгенеруецца, зноў назапашваючы хімічную энергію (зараджаючыся). Дзякуючы магчымасці падзарадкі ад знешняга пастаяннага крыніцы току гэта прылада выкарыстоўваецца на працягу доўгага часу, з перапынкамі на падзарадку. Працэс выпрацоўкі электрычнай энергіі называецца разрадам акумулятара. Да такіх ХІТ можна аднесці элементы харчавання многіх электронных прылад (ноўтбукі, мабільныя тэлефоны і т. П.).
3. Цеплавыя хімічныя крыніцы току - прыборы бесперапыннага дзеяння. У працэсе іх працы адбываецца бесперапыннае паступленне новых порцый рэагентаў і выдаленне прадуктаў рэакцыі.
4. У камбінаваных (полутопливных) гальванічных элементах маецца запас аднаго з рэагентаў. Другі падаецца ў прылада звонку. Тэрмін працы прылады залежыць ад запасу першага рэагента. Камбінаваныя хімічныя крыніцы электрычнага току выкарыстоўваюцца як акумулятары, калі ёсць магчымасць аднаўлення іх зарада шляхам прапускання току ад вонкавай крыніцы.
5. ХІТ аднаўляльныя перезаряжаемые механічным ці хімічным шляхам. Для іх існуе магчымасць замены пасля поўнага разраду зрасходаваных рэагентаў на новыя порцыі. Гэта значыць яны не з'яўляюцца прыладамі бесперапыннага дзеяння, а, падобна акумулятарам, перыядычна подзаряжается.

характарыстыкі ХІТ

Да асноўных характарыстыках хімічных крыніц току адносяцца:

1. Напружанне растуленым ланцугу (НРЦ або разраднае напружанне). Гэты паказчык, перш за ўсё, залежыць ад абранай электрахімічнай сістэмы (спалучэнне аднаўляльніка, акісляльніка і электраліта). Таксама на НРЦ ўплываюць канцэнтрацыя электраліта, ступень Разраджаны, тэмпература і іншае. НРЦ залежыць ад значэння які праходзіць праз ХІТ току.
2. Магутнасць.
3. Ток разраду - залежыць ад супраціву вонкавага ланцуга.
4. Ёмістасць - максімальнай колькасць электрычнасці, якое ХІТ аддае пры поўным яго разрадзе.
5. Энергозапас - максімальная энергія, якая атрымліваецца пры поўным разрадзе прылады.
6. Энергетычныя характарыстыкі. Для акумулятараў, гэта, перш за ўсё, гарантаванае колькасць зарадна-разрадных цыклаў без зніжэння ёмістасці або напружання зарада (рэсурс).
7. Тэмпературны дыяпазон працаздольнасці.
8. Тэрмін захавальнасць - максімальна дапушчальны прамежак часу паміж вырабам і першым разрадам прылады.
9. Тэрмін службы - максімальна дапушчальны агульны тэрмін захоўвання і працы. Для паліўных элементаў значэнне маюць тэрміны службы пры бесперапыннай і перарывістай працы.
10. Агульная энергія, аддаваная за ўвесь тэрмін службы.
11. Механічная трываласць ў адносінах да вібрацыі, ударам і т. П.
12. Магчымасць працы ў любым становішчы.
13. Надзейнасць.
14. Прастата ў абслугоўванні.

Патрабаванні да ХІТ

Канструкцыя электрахімічных элементаў павінна забяспечваць умовы, якія спрыяюць найбольш эфектыўнаму праходжанню рэакцыі. Да гэтых умоў адносяцца:

• прадухіленне уцечак току;
• раўнамерная праца;
• механічная трываласць (у тым ліку герметычнасць);
• падзел рэагентаў;
• добры кантакт паміж электродамі і электралітам;
• адвод току ад зоны рэакцыі да вонкавага вываду з мінімальнымі стратамі.

Крыніцы току хімічныя павінны адказваць наступным агульным патрабаванням:

• самыя высокія значэнні удзельных параметраў;
• максімальны тэмпературны інтэрвал працаздольнасці;
• самае вялікае напружанне;
• мінімальны кошт адзінкі энергіі;
• стабільнасць напружання;
• захаванасць зарада;
• бяспека;
• прастата абслугоўвання, а ў ідэале адсутнасць неабходнасці ў ім;
• працяглы тэрмін службы.

эксплуатацыя ХІТ

Галоўная перавага першасных гальванічных элементаў - адсутнасць неабходнасці якога-небудзь абслугоўвання. Перад пачаткам іх выкарыстання дастаткова правесці праверку знешняга выгляду, тэрміну прыдатнасці. Пры падключэнні важна выканаць палярнасць і праверыць цэласнасць кантактаў прыбора. Больш складаныя хімічныя крыніцы току - акумулятары, патрабуюць ужо больш сур'ёзнага догляду. Мэта іх абслугоўвання - максімальнае падаўжэнне тэрміну службы. Сыход за акумулятарнай батарэяй заключаецца ў:

• падтрыманні чысціні;
• кантролі напружання растуленым ланцугу;
• падтрыманні ўзроўню электраліта (для доливки можна выкарыстоўваць толькі дыстыляваную ваду);
• кантролі канцэнтрацыі электраліта (з дапамогай арэометра - простага прыбора для вымярэння шчыльнасці вадкасцяў).

Пры эксплуатацыі гальванічных элементаў неабходна выконваць усе патрабаванні, якія адносяцца да бяспечным выкарыстанні электрапрыбораў.

Класіфікацыя ХІТ па электрахімічным сістэмах

Віды хімічных крыніц току, у залежнасці ад сістэмы:

• свінцовыя (кіслотныя);
• нікель-кадміевыя, нікель-жалезныя, нікель-цынкавыя;
• марганцево-цынкавыя, медна-цынкавыя, ртутна-цынкавыя, хлоркавай-цынкавыя;
• срэбна-цынкавыя, срэбна-кадміевыя;
• паветрана-металічныя;
• нікель-вадародныя і срэбна-вадародныя;
• марганцево-магніевыя;
• літыевыя і т. д.

Сучаснае прымяненне ХІТ

Крыніцы току хімічныя у цяперашні час ужываюцца ў:

• транспартных сродках;
• пераносных прыборах;
• ваеннай і касмічнай тэхніцы;
• навуковым абсталяванні;
• медыцыне (электракардыёстымулятараў).

Звыклыя прыклады ХІТ ў побыце:

• батарэйкі (сухія батарэі);
• акумулятарныя батарэі пераносных бытавых прыбораў і электронікі;
• крыніцы бесперабойнага сілкавання;
• аўтамабільныя акумулятары.

Асабліва шырокае ўжыванне атрымалі літыевыя хімічныя крыніцы току. Гэта звязана з тым, што літый (Li) валодае самай высокай удзельнай энергіяй. Справа ў тым, што ён адрозніваецца самым адмоўным электродных патэнцыялам сярод усіх іншых металаў. Літый-іённыя акумулятары (ЛИА) апярэджваюць ўсе іншыя ХІТ па велічынях удзельнай энергіі і працоўнай напругі. Цяпер яны паступова асвойваюць новую сферу - аўтамабільны транспарт. У далейшым распрацоўкі вучоных, звязаныя з удасканаленнем літыевых элементаў харчавання, будуць рухацца ў напрамку звыштонкіх канструкцый і буйных звышмагутных акумулятарных батарэй.