Химические источники тока

58. Химические источники тока

В химических источниках тока электрохимические процессы используются с целью получения электричества.

Простейший химический источник тока представляет собой две полости, разделённые пористой перегородкой, одна из которых заполнена раствором сульфата цинка (SO₃)(OZn), а другая – раствором сульфата меди (SO₃)(OCu) -  медным купоросом. В первой полости располагается цинковый электрод, а во второй – медный.

В ходе химических превращений на цинковом электроде появляется избыток электронов (тоесть он превращается в катод), а на медном – их недостаток (он становится анодом). Если соединить электроды внешней электропроводной цепью, по ней потечёт электрический ток – от цинка к меди.

Прежде чем объяснять электрохимический процесс, представим сульфаты в виде SO₃(O(Zn) и SO₃(O(Cu); в этих изображениях скобки обозначают присасывающие жёлобы.

Атом цинка Zn прилипает к кислотному компоненту SO₃(O( с большим усилием, чем атом меди (Cu). Этим объясняется то, что атом цинка способен замещать атом меди в молекуле сульфата. (Именно поэтому в ряду активности цинк указан как более активный металл, чем медь.)

Объясняется большее усилие прилипания атома цинка тем, что его жёлоб смыкается с жёлобом атома кислорода на большей длине, чем у атома меди.

Процесс замещения атомами цинка атомов меди идёт на границе между сульфатом цинка и сульфатом меди. Фронт процесса постепенно перемещается от пористой перегородки в сторону анода, тоесть в сторону медного электрода.

Электрохимические процессы вообще, и данный процесс в частности, - очень сложны. Выделим из них главное.

Молекулы воды не только разъединяют молекулы сульфатов, но и могут дробить сами эти молекулы. Так от молекул сульфатов могут отделяться атомы меди и цинка:

SO₃(O(Zn) + O(Hm =><= SO₃(O(  + (Zn) + O(Hm

SO₃(O(Cu) + O(Hm =><= SO₃(O(  + (Cu) + O(Hm

В общем случае эти процессы – обратимы, но во фронтальной зоне оторванный атом цинка может перескочить на соседний кислотный компонент SO₃(O(  , освободившийся от атома меди Cu, и занять его место:

SO₃(O(  + (Zn) + SO₃(O(  + (Cu) + O(Hm =>

=> SO₃(O(  + SO₃(O(Zn) + (Cu) + O(Hm

При таком соединении с мест слипания жёлобов будут выдавлены находившиеся там электроны. Они пополнят те блуждающие группы, которые возникли в результате растворения, и процесс пересоединений ускорится. Атомы меди начнут перескакивать с молекулы на молекулу с фронтальной зоны в сторону анода, а атомы цинка – от катода ко фронту.

В конце этих перемещений к аноду примкнёт атом меди (Cu), а к катоду – кислотный компонент SO₃(O( .

В момент прилипания к аноду атома меди (с недостатком электронов) часть электронов анода сместится на контурные жёлобы атома, и давление электронов на аноде понизится.

В другой стороне при слипании кислотного компонента SO₃(O(   с любым атомом цинка катодной пластины будут выдавлены несколько электронов; они повысят электронное давление на катоде.

Так как во фронтальной зоне будет происходить массовое замещение атомов меди атомами цинка, таким же массовыми будут и удаления электронов с анода и нагнетания их на катоде.

При соединении катода с анодом внешней токопроводящей цепью, как было сказано, по ней потечёт электрический ток.

Если цепь окажется разорванной, то и повышение электронного давления на катоде и понижение его на аноде будут - только до определённых пределов.

При достижении их электрохимический процесс будет приостановлен. Со стороны анода падение электронного давления рано или поздно уменьшит блуждающие группы электронов, и те не смогут отрывать очередные атомы меди от молекул сульфата меди. А со стороны катода повышенное давление электронов будет противостоять прилипанию кислотного компонента к атомам катода.

В рабочем состоянии (при замкнутой внешней цепи) атомы меди будут осаждаться на аноде, а атомы цинка будут уходить с катода в раствор.

Полностью остановится этот электрохимический процесс только тогда, когда осядут на аноде все атомы меди из раствора или когда все атомы цинка катодного электрода уйдут в раствор.

Электрохимические процессы могут быть обратимыми.

В одном направлении могут образовываться более прочные химические соединения и, как следствие, - появление электрического тока.

В обратном направлении электрическая энергия используется для перехода к менее прочным химическим соединениям.

Химические источники тока с обратимыми процессами называются электрическими аккумуляторами.

Они широко используются во всевозможных бытовых приборах, в частности в радиопередатчиках и радиоприёмниках звука и изображения. Более мощные электрические аккумуляторы устанавливают на автомобили и другие транспортные средства.

Когда аккумуляторы «садятся» и не могут вырабатывать электрический ток, их ставят на подзарядку, подсоединяя к электрической розетке.

Одним из наиболее распространённых обратимых источников тока является литиевый аккумулятор.

Литий, как металл, удобен во всех отношениях. Его атомы – очень малы и имеют округлую форму; благодаря этому они легко перемещаются даже в очень густой среде. Ктомуже длина контурных жёлобов у атома лития – одна из наибольших, и на этих жёлобах может сосредотачиваться большое количество электронов. Если учесть ещё то, что литий очень легко соединяется со слабыми кислотами и даже с обычной водой, использование его в электрических аккумуляторах объяснимо.

При зарядке атомы лития отрываются от молекул своих солей и собираются на катоде. Молекулы солей при этом превращаются в кислотные.

При разрядке (в рабочем режиме) атомы лития уходят с катода в раствор и снова образуют там соли, соединяясь с кислотами.