Электрохимическая ячейка
Электрохимическая ячейка — это устройство, которое генерирует электрическую энергию в результате химических реакций . Электрическая энергия также может быть подана к этим клеткам, чтобы вызвать химические реакции. [1] Электрохимические элементы, генерирующие электрический ток, называются гальваническими элементами , а те, которые генерируют химические реакции, посредством электролиза например, , называются электролитическими элементами . [2]
И гальванические, и электролитические элементы можно рассматривать как имеющие две полуячейки : состоящие из отдельных реакций окисления и восстановления .
Когда один или несколько электрохимических элементов соединены параллельно или последовательно, они образуют батарею . Первичные элементы представляют собой одноразовые батареи.
Типы электрохимических ячеек
[ редактировать ]Гальванический элемент
[ редактировать ]Гальванический элемент (вольтаический элемент), названный в честь Луиджи Гальвани ( Алессандро Вольта ), представляет собой электрохимический элемент, генерирующий электрическую энергию в результате спонтанных окислительно-восстановительных реакций. [3]
Провод соединяет два разных металла (например, цинк и медь ). Каждый металл находится в отдельном растворе; часто водный сульфат или нитрат образуют металл, однако чаще всего это соли металлов и вода, которые проводят ток . [4] Солевой мостик или пористая мембрана соединяют два раствора, сохраняя электрическую нейтральность и предотвращая накопление заряда. Различия в окислительно-восстановительном потенциале металлов приводят к реакции до достижения равновесия . [1]
Ключевые особенности:
- спонтанная реакция
- генерирует электрический ток
- ток течет по проводу, а ионы текут через солевой мостик
- анод (отрицательный), катод (положительный)
Полуклетки
[ редактировать ]Гальванические элементы состоят из двух полуэлементов. Каждая полуячейка состоит из электрода и электролита (в обеих полуячейках могут использоваться одинаковые или разные электролиты).
В химических реакциях в ячейке участвуют электролит, электроды и/или внешнее вещество ( в топливных элементах может использоваться газообразный водород в качестве реагента ). В полной электрохимической ячейке частицы из одной полуячейки теряют электроны ( окисление ) на своем электроде, в то время как частицы из другой полуячейки получают электроны ( восстановление ) со своего электрода.
( Солевой мостик например, фильтровальная бумага, пропитанная KNO 3, NaCl или каким-либо другим электролитом) используется для ионного соединения двух полуэлементов с разными электролитами, но он предотвращает смешивание растворов и нежелательные побочные реакции. Альтернативой солевому мостику является обеспечение прямого контакта (и смешивания) между двумя полуэлементами, например, при простом электролизе воды .
Когда электроны перетекают из одной полуячейки в другую по внешней цепи , устанавливается разница в заряде. Если бы ионный контакт не был обеспечен, эта разница зарядов быстро препятствовала бы дальнейшему потоку электронов. Солевой мостик позволяет потоку отрицательных или положительных ионов поддерживать устойчивое распределение заряда между сосудами окисления и восстановления, сохраняя при этом содержимое отдельно. Другими устройствами для разделения растворов являются пористые горшки и гелеобразные растворы. используется пористый сосуд В ячейке Бунзена .
Равновесная реакция
[ редактировать ]Каждая полуячейка имеет характеристическое напряжение (в зависимости от металла и его характерного восстановительного потенциала). В каждой реакции происходит равновесная реакция между различными степенями окисления ионов: когда равновесие достигнуто, ячейка не может обеспечить дальнейшее напряжение . В полуячейке, осуществляющей окисление, чем ближе равновесие находится к иону/атому с более положительной степенью окисления, тем больший потенциал обеспечит эта реакция. [1] Аналогично, в реакции восстановления, чем ближе равновесие находится к иону/атому с более отрицательной степенью окисления, тем выше потенциал.
Потенциал клетки
[ редактировать ]Потенциал ячейки можно предсказать с помощью электродных потенциалов (напряжений каждой полуячейки). Эти потенциалы полуэлементов определяются относительно напряжения 0 В на стандартном водородном электроде (SHE). (См. таблицу стандартных электродных потенциалов ). Разница в напряжении между потенциалами электродов дает прогноз измеренного потенциала. При расчете разницы напряжений необходимо сначала переписать уравнения реакции полуэлемента, чтобы получить сбалансированное окислительно-восстановительное уравнение.
- Обратить реакцию восстановления с наименьшим потенциалом (чтобы создать реакцию окисления/общий положительный потенциал клетки)
- Полуреакции необходимо умножить на целые числа, чтобы достичь баланса электронов.
Потенциалы ячеек имеют возможный диапазон примерно от нуля до 6 вольт. Элементы, использующие электролиты на водной основе, обычно ограничены потенциалом элемента менее 2,5 В из-за высокой реакционной способности мощных окислителей и восстановителей с водой, которая необходима для создания более высокого напряжения. Более высокие потенциалы клеток возможны, если клетки используют другие растворители вместо воды. Например, широко доступны литиевые элементы с напряжением 3 В.
Потенциал ячейки зависит от концентрации реагирующих веществ, а также их типа. По мере того, как ячейка разряжается, концентрация реагентов уменьшается, а потенциал ячейки также уменьшается.
Электролитическая ячейка
[ редактировать ]Электролитическая ячейка — это электрохимическая ячейка, в которой приложенная электрическая энергия вызывает несамопроизвольную окислительно-восстановительную реакцию. [5]
Их часто используют для разложения химических соединений в процессе, называемом электролизом . (Греческое слово « лиз » (λύσις) означает «потерять» или «освободить».)
Важными примерами электролиза являются разложение воды на водород и кислород , а также боксита на алюминий и другие химические вещества. Гальваническое покрытие (например, медью, серебром , никелем или хромом ) выполняется с использованием электролизера. Электролиз – это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC).
Компонентами электролизера являются:
- электролит: обычно раствор воды или других растворителей, в которых растворены ионы. Расплавленные соли, такие как хлорид натрия, также являются электролитами.
- два электрода (катод и анод), которые представляют собой электрические клеммы , состоящие из подходящего вещества, в котором может происходить окисление или восстановление, и поддерживаются при двух разных электрических потенциалах .
Под действием внешнего напряжения (разности потенциалов), приложенного к электродам, ионы в электролите притягиваются к электроду с противоположным потенциалом, где переноса заряда (также называемые фарадеевскими могут происходить реакции или окислительно-восстановительными реакциями). Только при достаточном внешнем напряжении электролитическая ячейка может разложить обычно стабильное или инертное химическое соединение в растворе. Таким образом, подаваемая электрическая энергия вызывает химическую реакцию, которая в противном случае не произошла бы самопроизвольно.
Ключевые особенности:
- неспонтанная реакция
- генерирует ток
- ток течет по проводу, а ионы текут через солевой мостик
- анод (положительный), катод (отрицательный)
Первичная ячейка
[ редактировать ]
Первичный элемент производит ток в результате необратимых химических реакций (например, небольшие одноразовые батарейки) и не подлежит перезарядке.
Они используются из-за своей портативности, низкой стоимости и короткого срока службы.
Первичные элементы изготавливаются различных стандартных размеров для питания небольших бытовых приборов, таких как фонарики и портативные радиоприемники.
По мере того, как в первичном элементе происходят химические реакции, батарея расходует химические вещества, генерирующие энергию; когда они заканчиваются, батарея перестает вырабатывать электричество.
Первичные батареи составляют около 90% рынка аккумуляторов стоимостью 50 миллиардов долларов, но доля рынка вторичных батарей увеличивается. Ежегодно во всем мире выбрасывается около 15 миллиардов первичных батарей. [6] практически все оказывается на свалках. Из-за содержащихся в них токсичных тяжелых металлов и сильных кислот или щелочей аккумуляторы являются опасными отходами . Большинство муниципалитетов классифицируют их как таковые и требуют отдельной утилизации. Энергия, необходимая для производства батареи, примерно в 50 раз превышает энергию, которую она содержит. [7] [8] [9] [10] Из-за высокого содержания загрязняющих веществ по сравнению с низким энергопотреблением первичные батареи считаются расточительной и экологически вредной технологией. В основном из-за растущих продаж беспроводных устройств и беспроводных инструментов , которые не могут экономично питаться от первичных батарей и поставляются со встроенными перезаряжаемыми батареями, индустрия вторичных батарей имеет высокие темпы роста и постепенно заменяет первичные батареи в продуктах высокого класса.
Вторичная ячейка
[ редактировать ]
Вторичный элемент производит ток в результате обратимых химических реакций (например, свинцово-кислотный аккумулятор автомобиля) и является перезаряжаемым .
Свинцово-кислотные аккумуляторы используются в автомобиле для запуска двигателя и работы электрооборудования автомобиля, когда двигатель не работает. Генератор, когда автомобиль заводится, заряжает аккумулятор.
Он может работать как гальванический элемент и электролитический элемент. Это удобный способ хранения электроэнергии: когда ток течет в одну сторону, уровни одного или нескольких химических веществ повышаются (заряжаются); пока он разряжается, они уменьшаются, и возникающая электродвижущая сила может совершить работу.
Они используются из-за высокого напряжения, низкой стоимости, надежности и длительного срока службы.
Топливный элемент
[ редактировать ]
Топливный элемент — это электрохимический элемент, который реагирует с водородным топливом с кислородом или другим окислителем для преобразования химической энергии в электричество .
Топливные элементы отличаются от батарей тем, что требуют постоянного источника топлива и кислорода (обычно из воздуха) для поддержания химической реакции, тогда как в батарее химическая энергия поступает из химических веществ, уже присутствующих в батарее.
Топливные элементы могут производить электроэнергию непрерывно до тех пор, пока топливо и кислород подаются .
Они используются для основного и резервного электроснабжения коммерческих, промышленных и жилых зданий, а также в отдаленных или труднодоступных районах. Они также используются для питания транспортных средств на топливных элементах , включая вилочные погрузчики , автомобили, автобусы, лодки, мотоциклы и подводные лодки.
Топливные элементы классифицируются по типу используемого электролита и разнице во времени запуска, которая колеблется от 1 секунды для топливных элементов с протонообменной мембраной (топливные элементы PEM, или PEMFC) до 10 минут для твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). .
Существует много типов топливных элементов, но все они состоят из:
- анод
- На аноде катализатор заставляет топливо подвергаться реакциям окисления, в результате которых генерируются протоны (положительно заряженные ионы водорода) и электроны. После реакции протоны перетекают от анода к катоду через электролит. В то же время электроны перетягиваются от анода к катоду через внешнюю цепь, производя постоянного тока . электричество
- катод
- На катоде другой катализатор заставляет ионы водорода, электроны и кислород вступать в реакцию, образуя воду.
- электролит
- Позволяет положительно заряженным ионам водорода (протонам) перемещаться между двумя сторонами топливного элемента.
Родственной технологией являются проточные батареи , в которых топливо можно регенерировать путем перезарядки. Отдельные топливные элементы производят относительно небольшие электрические потенциалы, около 0,7 вольт, поэтому элементы «сложены» или размещены последовательно, чтобы создать достаточное напряжение для удовлетворения требований применения. [11] Помимо электроэнергии, топливные элементы производят воду, тепло и, в зависимости от источника топлива, очень небольшое количество диоксида азота и другие выбросы. Энергоэффективность ; топливного элемента обычно составляет от 40 до 60% однако, если отходящее тепло улавливается в схеме когенерации , можно получить эффективность до 85%.
В 2022 году мировой рынок топливных элементов оценивается в 6,3 миллиарда долларов, и ожидается, что к 2030 году он увеличится на 19,9%. [12] Многие страны пытаются выйти на рынок, устанавливая цели по ПВТ в области возобновляемых источников энергии . [13]
См. также
[ редактировать ]
- Деятельность (химия)
- Обозначение ячеек
- Электрохимический потенциал
- Электрохимическая инженерия
- Батарея (электричество)
- Аккумуляторная батарея
- Топливный элемент
- Проточная батарея
- Сканирующая проточная кювета
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Венцель, Томас Дж. (30 июля 2013 г.). «Дуглас А. Скуг, Дональд М. Уэст, Ф. Джеймс Холлер и Стэнли Р. Крауч: основы аналитической химии, 9-е изд., международное изд.» . Аналитическая и биоаналитическая химия . 405 (25): 412–432. дои : 10.1007/s00216-013-7242-1 . ISSN 1618-2642 . S2CID 94566587 .
- ^ Вендт, Хартмут; Колб, Дитер М.; Энгельманн, Джеральд Э.; Циглер, Йорг К. (15 октября 2011 г.), «Электрохимия, 1. Основы» , в Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (редактор), Энциклопедия промышленной химии Ульмана , Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, стр. a09_183.pub4, doi : 10.1002/14356007.a09_183.pub4 , ISBN 978-3-527-30673-2 , получено 5 мая 2023 г.
- ^ Химия, Университет Райса, 2015. [Онлайн]. Доступно: https://web.ung.edu/media/Chemistry2/Chemistry-LR.pdf .
- ^ Ахмад, доктор Заки (2013). Принципы коррозионной техники и борьбы с коррозией . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-08-097134-6 . OCLC 857524149 .
- ^ Бретт, CMA (2018), «Стандартные электродные потенциалы и их применение для характеристики коррозионных явлений» , Энциклопедия межфазной химии , Elsevier, стр. 511–516, doi : 10.1016/b978-0-12-409547-2.13389-x , ISBN 9780128098943 , получено 18 апреля 2023 г.
- ^ Связь, Кактус. «Что, если бы мы могли перерабатывать энергию, оставшуюся в выброшенных батареях? Теперь ученые знают, как это сделать» . techxplore.com . Проверено 18 апреля 2023 г.
- ^ Хилл, Маркита К. (2004). Понимание загрязнения окружающей среды: введение . Издательство Кембриджского университета . п. 274. ИСБН 978-0-521-82024-0 .
Производство одноразовой батареи требует примерно в 50 раз больше энергии, чем дает батарея при использовании.
- ^ Уоттс, Джон (2006). Gcse Edexcel Science . Леттс и Лонсдейл . п. 63. ИСБН 978-1-905129-63-8 .
- ^ Wastebusters Ltd. (2013). Руководство «Зеленый офис»: Руководство по ответственной практике . Рутледж . п. 96. ИСБН 978-1-134-19798-9 .
- ^ Данахер, Кевин ; Биггс, Шеннон; Марк, Джейсон (2016). Построение зеленой экономики: истории успеха на низовом уровне . Рутледж . п. 199. ИСБН 978-1-317-26292-3 .
- ^ Ци, Чжаосян; Кениг, Гэри М. (1 июля 2017 г.). «Обзорная статья: Проточные аккумуляторные системы с твердыми электроактивными материалами» . Журнал вакуумной науки и технологий B. 35 (4): 040801. Бибкод : 2017JVSTB..35d0801Q . дои : 10.1116/1.4983210 . ISSN 2166-2746 .
- ^ «Отчет об анализе размера, доли и тенденций рынка топливных элементов, 2030 г.» . www.grandviewresearch.com . Проверено 18 апреля 2023 г.
- ^ «Цели возобновляемой энергетики» . Energy.ec.europa.eu . Проверено 22 апреля 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
