И гальванические элементы, и аккумуляторы - являются химическими источниками тока. Это значит, что ток в цепи нагрузки, порождаемый подобными источниками, сопровождает протекание некой химической реакции, которая, в свою очередь, и является причиной протекания тока.
В ходе химической реакции исходные вещества, называемые реагентами, превращаются в другие вещества, при этом структура ядер атомов веществ не изменяется, но изменяются электроны, окружающие ядра атомов: происходит перераспределение электронов (электронных оболочек) между реагентами, в итоге образуются новые вещества. И в ходе этого перераспределения электронов в химических источниках тока, электроны движутся по внешней цепи, питая присоединенную к источнику нагрузку.
Гальванический элемент (первичный химический источник тока) - это устройство, которое непосредственно преобразует химическую энергию окислительно-восстановительной реакции в электрическую. Процесс в нём является необратимым: после полного разряда элемент становится непригодным для использования (например, солевые и щелочные батарейки).
Аккумулятор (вторичный химический источник тока) - это перезаряжаемое устройство, в котором химическая реакция обратима. После разряда его работоспособность восстанавливается пропусканием электрического тока в обратном направлении (зарядка). Аккумуляторы выдерживают множество циклов «разряд-заряд» (например, свинцово-кислотные, литий-ионные).
Процессы окисления восстановителя и восстановления окислителя
Чтобы глубже понять принцип, давайте вспомним, что такое степень окисления. Степень окисления соответствует числу электронов (заряд электрона — отрицательный), которое теоретически следует отнять от отрицательного иона, чтобы «окислить» его до нейтрального атома, либо присоединить к положительному иону, чтобы «восстановить» его до нейтрального атома.
Когда в ходе химической реакции изменяются степени окисления реагентов, такие реакции именуют окислительно-восстановительными. Атомы одного из реагентов (окислителя) присоединяют к себе электроны, то есть «восстанавливаются» - окислитель понижает собственную степень окисления. При этом атомы другого элемента (восстановителя) отдают электроны, то есть «окисляются» - восстановитель повышает собственную степень окисления.
Положительный — катод, отрицательный — анод, между ними - электролит
Таким образом, в основе химического источника тока - два реагента - электрода. Положительно заряженный катод, содержащий окислитель; он будет тянуть к себе электроны, при этом вещество его станет восстанавливаться. И отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель. Он будет отдавать электроны, при этом вещество его станет окисляться. Эти два электрода погружены в электролит.
ЭДС пары электродов
Паре электродов соответствует свободная энергия окислительно-восстановительной реакции, поэтому между ними устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила источника тока.
Если теперь катод и анод соединить проводником снаружи, то есть замкнуть внешнюю цепь источника тока, то в проводнике потечет ток, начнутся пространственно-разделенные процессы: на отрицательном аноде восстановитель начнет окисляться, его свободные электроны двинутся по внешней части цепи к положительному катоду, (то есть возникнет ток) где они будут участвовать в реакции восстановления окислителя.
Величину ЭДС можно узнать, найдя разность электрохимических потенциалов материалов электродов. Вот таблица стандартных электродных потенциалов. Если взять в качестве отрицательного электрода, например, цинк, а в качестве положительного — медь, то разность потенциалов составит 0,337 - ( - 0,763 ) = 1,1 (вольт).
Практически во внешней цепи заряженные частицы — электроны, будут двигаться от анода (-) к катоду (+), от отрицательного полюса источника тока — к положительному его полюсу, что соответствует принятому за положительное, направлению тока от положительного полюса — к отрицательному, противоположно реальному направлению движения электронов. В электролите к аноду станут притягиваться отрицательные ионы, а к катоду — положительные ионы.
Так вот, гальванические элементы невозможно перезарядить, они одноразовые, так как их химическая реакция, дающая ток нагрузки, необратима. А вот аккумуляторы — перезаряжаются, так как химическая реакция в них обратима.
В процессе зарядки от зарядного устройства электроны движутся в обратном направлении, на электродах в электролите происходят обратные реакции, при этом продукты реакции переходят в электролит, плотность электролита в ходе зарядки аккумулятора, повышается. Из стандартных аккумуляторных или гальванических ячеек можно собирать батареи.
Свинцово-кислотный аккумулятор
В свинцово-кислотном аккумуляторе анодом выступает металлический свинец, катодом — оксид свинца, а электролитом — раствор серной кислоты. В процессе разрядки на нагрузку, на аноде свинцово-кислотного аккумулятора происходит окисление свинца, а на катоде — восстановление оксида свинца.
Окисленный свинец имея положительный заряд, притягивает к себе отрицательный ион серной кислоты. Восстановленный оксид свинца, имея отрицательный заряд, притягивает к себе положительный ион кислотного остатка.
Когда аккумулятор полностью разряжен — оба электрода покрыты сульфатом свинца, плотность электролита низкая.
В ходе зарядки аккумулятора происходит обратный процесс — сульфат свинца распадается на ионы, которые переходят в воду, где образуется серная кислота, плотность электролита повышается.
Стандартная разность потенциалов одной ячейки свинцово-кислотного аккумулятора составляет 2,1 В.
Никель-кадмиевый аккумулятор
В никель-кадмиевом аккумуляторе катодом является метагидроксид никеля, анодом — кадмий, электролитом — гидроксид калия. В процессе разрядки на нагрузку, на аноде происходит окисление кадмия (он отдает электрон), а на катоде — восстановление метагидроксида никеля (получает электрон).
Окисленный кадмий притягивает к себе из электролита гидроксид-ион, а восстановленный метагидроксид никеля взаимодействует с водородом из молекулы воды. В результате на катоде образуется гидроксид никеля, на аноде — гидроксид кадмия.
Реакция обратима. Стандартная разность потенциалов ячейки никель-кадмиевого аккумулятора 1,2 В.
Щелочная батарейка
Обычная щелочная батарейка (марганцево-цинковый гальванический элемент) содержит в качестве анода — цинковый порошок, в качестве катода — оксид марганца, электролитом служит гидроксид калия.
В процессе разряда на нагрузку, на аноде окисляется цинк (он отдает электрон) к нему присоединяется отрицательный гидроксид-ион, образуется гирдроксид цинка, который распадается на оксид цинка и воду. На катоде оксид марганца (VI) получает электрон, восстанавливается до оксида марганца (III).
Стандартное напряжение такой батарейки 1,5 В. Реакция необратима.
Популярные вопросы
Вопрос: Что общего у гальванических элементов и аккумуляторов?
Ответ: И те и другие являются химическими источниками тока. Электрический ток в них возникает не сам по себе, а как следствие окислительно-восстановительных реакций между веществами внутри ячейки.
Вопрос: Почему в таких источниках тока вообще появляется напряжение?
Ответ: Потому что у разных материалов электродов разная способность отдавать и принимать электроны. За счёт этой разницы между электродами появляется электродвижущая сила, и при замыкании цепи начинается движение электронов по внешней цепи.
Вопрос: Почему электроны идут от анода к катоду, а ток считают направленным наоборот?
Ответ: Реальные носители заряда в металлической части цепи - электроны, поэтому они движутся от отрицательного электрода к положительному. Но исторически направление тока приняли от плюса к минусу, и это условное направление используют в электротехнике до сих пор.
Вопрос: Чем гальванический элемент отличается от аккумулятора?
Ответ: Гальванический элемент рассчитан на одноразовый разряд, а аккумулятор можно заряжать снова. Разница в том, что химические реакции в аккумуляторе обратимы, а в гальваническом элементе - нет.
Вопрос: Почему нельзя перезарядить обычную батарейку?
Ответ: Потому что её химическая система не рассчитана на обратное превращение продуктов реакции в исходные вещества. При попытке зарядки процессы идут не туда, куда нужно, поэтому элемент либо не восстанавливается, либо повреждается.
Вопрос: Что происходит в свинцово-кислотном аккумуляторе при разряде?
Ответ: На электродах идут противоположные химические реакции: один электрод отдаёт электроны, другой их принимает. При разряде оба электрода постепенно превращаются в сульфат свинца, а плотность электролита снижается.
Вопрос: Почему плотность электролита в свинцово-кислотном аккумуляторе меняется при зарядке и разрядке?
Ответ: Потому что серная кислота расходуется при разряде и восстанавливается при зарядке. Когда аккумулятор заряжают, продукты разряда снова переходят в исходные вещества, и концентрация кислоты в электролите растёт.
Вопрос: Чем интересен никель-кадмиевый аккумулятор?
Ответ: Он даёт устойчивую работу, хорошо переносит большие токи разряда и подходит для многократной зарядки. В нём используют щелочной электролит, а химические процессы на электродах обратимы.
Вопрос: Чем щелочная батарейка отличается от аккумулятора?
Ответ: Щелочная батарейка - это, как правило, одноразовый элемент. Она тоже работает за счёт химической реакции, но эта реакция необратима, поэтому батарейку не перезаряжают.
Вопрос: Можно ли собирать батареи из отдельных ячеек?
Ответ: Да, из стандартных ячеек можно собирать батареи, соединяя их последовательно, параллельно или смешанно, чтобы получить нужное напряжение, ёмкость и ток. Именно так из отдельных элементов делают практичные источники питания для техники.
Смотрите также:
Как устроены и работают аккумуляторы
Как правильно заряжать аккумулятор
Последовательное, параллельное и смешанное соединение аккумуляторов
Андрей Повный