Kémiai áramforrás

A kémiai áramforrás ( röv. HIT ) olyan EMF-forrás , amelyben a benne lejátszódó kémiai reakciók energiája közvetlenül elektromos energiává alakul.

Létrehozási előzmények

Az első kémiai áramforrást Alessandro Volta olasz tudós találta fel 1800-ban. Ez volt a "Volta elem" - egy edény kénsavval, cink- és rézlemezekkel leeresztve, vezetékes áramvezetékekkel. Ezután a tudós összeállított egy akkumulátort ezekből az elemekből, amelyet később "voltaikus oszlopnak" neveztek . Ezt a találmányt később más tudósok is felhasználták kutatásaik során. Így például 1802-ben V. V. Petrov orosz akadémikus egy 2100 elemből álló voltikus oszlopot tervezett elektromos ív létrehozására . 1836-ban John Daniel angol kémikus úgy javította a Volta elemet, hogy cink- és rézelektródákat helyezett kénsavoldatba . Ez a kialakítás „Daniel elem” néven vált ismertté .

1859-ben Gaston Plante francia fizikus feltalálta az ólom-savas akkumulátort úgy, hogy egy vékony ólomlemezt kénsavban tekercsbe hengerelt. Ezt a típusú cellát a mai napig használják autóakkumulátorokban .

1865-ben a francia kémikus, J. Leclanchet javasolta galvánelemét ( Leclanchet elem ), amely ammónium-klorid vagy más kloridsó vizes oldatával töltött cinkcsészéből állt, amelyben mangán (IV)-oxid MnO 2 agglomerátum volt . depolarizátorként elhelyezve karbon levezetővel. Ennek a kialakításnak a módosítását még mindig használják különféle háztartási eszközök sóelemeiben.

1890-ben New Yorkban Konrad Hubert , egy oroszországi bevándorló megalkotja az első zseblámpát . És már 1896-ban a National Carbon cég megkezdte a világ első száraz elemeinek, a Leklanshe "Columbia" tömeggyártását.

A ma is működő legrégebbi galvanikus cella egy 1840-ben Londonban gyártott ezüst-cink elem . Két ilyen sorosan csatlakoztatott akkumulátorhoz csatlakoztatva a harang a mai napig működik az oxfordi Clarendon Laboratoryban [1] .

Hogyan működik

A kémiai áramforrások alapja az elektrolittal érintkező két elektród (egy pozitív töltésű katód oxidálószerrel és egy negatív töltésű anód , amely redukálószert tartalmaz ) . Az elektródák között potenciálkülönbség jön létre - a redox reakció szabad energiájának megfelelő elektromotoros erő . A kémiai áramforrások működése a tértől elválasztott folyamatok áramlásán alapul zárt külső áramkörrel: a redukálószer a negatív anódon oxidálódik, a keletkező szabad elektronok a külső áramkörön keresztül a pozitív katódra jutnak, kisülési áramot hozva létre. , ahol részt vesznek az oxidálószer redukciós reakciójában. Így a negatív töltésű elektronok áramlása a külső áramkör mentén az anódtól a katódig, vagyis a negatív elektródától (a kémiai áramforrás negatív pólusától) a pozitív felé halad. Ez megfelel az elektromos áram áramlásának a pozitív pólustól a negatív felé, mivel az áram iránya egybeesik a vezetőben lévő pozitív töltések mozgási irányával.

A modern kémiai áramforrásokat használják:

• redukálószerként (anódanyag) - ólom Pb, kadmium Cd, cink Zn és más fémek;
• oxidálószerként (katód anyag) - ólom (IV) oxid PbO 2 , nikkel-hidroxid NiOOH, mangán (IV) oxid MnO 2 és mások;
• elektrolitként - lúgok , savak vagy sók oldatai [2] .

Osztályozás

Az újrafelhasználás lehetősége vagy lehetetlensége szerint a kémiai áramforrásokat a következőkre osztják:

• galvanikus cellák (primer HIT), amelyek a bennük lezajló reakciók visszafordíthatatlansága miatt nem tölthetők újra;
• elektromos akkumulátorok (szekunder HIT) - újratölthető galvanikus cellák, amelyek külső áramforrással tölthetők ( töltő );
• üzemanyagcellák (elektrokémiai generátorok) - a galvánelemhez hasonló, de attól eltérő eszközök, amelyekbe kívülről táplálják be az elektrokémiai reakcióhoz szükséges anyagokat, és eltávolítják onnan a reakciótermékeket, ami lehetővé teszi a folyamatos működést a reagensek ellátása biztosított.

Megjegyzendő, hogy a cellák galvanikusra és akkumulátorra való felosztása némileg önkényes, mivel egyes galvánelemek, például alkáli elemek újratölthetők, de ennek a folyamatnak a hatékonysága rendkívül alacsony.

A felhasznált elektrolit típusa szerint a kémiai áramforrásokat savas (például ólom-savas akkumulátor , ólom-fluor elem ), lúgos (például higany-cink cella , higany-kadmium cella , nikkel-cink akkumulátor , nikkel-kadmium akkumulátor ) és só (például mangán-magnézium cella , cink-klór akkumulátor ).

Bizonyos típusú kémiai áramforrások

Galvanikus cellák

A galvánelem az elektromos áram kémiai forrása, amelyet Luigi Galvaniról neveztek el . A galvánelem működési elve két fém kölcsönhatásán alapul egy elektroliton keresztül, ami egy zárt áramkörben elektromos áram megjelenéséhez vezet.

Egyéb típusok:

• Ólom-fluoreszkáló elem
• Réz-oxid elektrokémiai cella
• Bizmut magnézium elem
• Higany-bizmut-indium elem
• Lítium króm ezüst elem
• lítium-bizmut elem
• Lítium-réz-oxid cella
• lítium-jód ólomsejt
• lítium-jód sejt
• Lítium-tionil-klorid cella
• Lítium-vanádium-oxid cella
• Lítium fluorréz cella
• lítium kén-dioxid cella
• Dioxiszulfát-higany elem
• Magnézium kén elem
• ólom-klorid magnézium elem
• Klór-ezüst-magnézium elem
• Magnézium-klorid elem
• Jodát-cink elem
• Magnézium-perklorát elem
• Magnézium-m-DNB elem
• Cink-klór-ezüst elem
• Klór ezüst elem
• A bróm egy ezüst elem
• Jód-ezüst elem
• magnézium-vanádium elem
• kalcium-kromát elem

Elektromos akkumulátorok

Az elektromos akkumulátor újrafelhasználható kémiai áramforrás (azaz a galvanikus cellákkal ellentétben a közvetlenül elektromos energiává alakuló kémiai reakciók többszörösen visszafordíthatóak). Az elektromos akkumulátorokat különféle eszközök energiatárolására és autonóm tápellátására használják.

• vas-levegő akkumulátor
• Vas-nikkel akkumulátor
• Lantán-fluorid akkumulátor
• Lítium-vas-szulfid akkumulátor
• Li-ion akkumulátor
• Lítium polimer akkumulátor
• Lítium-fluor akkumulátor
• Lítium-klorid akkumulátor
• lítium kén akkumulátor
• Mangán-ón elem
• Nátrium-nikkel-klorid akkumulátor
• Nátrium kén akkumulátor
• Nikkel-kadmium akkumulátor
• Nikkel-fémhidrid akkumulátor
• Nikkel-cink akkumulátor
• Ólom-hidrogén akkumulátor
• Ólom-sav akkumulátor
• Ezüst színű kadmium akkumulátor
• Ezüst-cink akkumulátor
• Cink-bróm akkumulátor
• Cink-levegő akkumulátor
• Cink-klorid akkumulátor

Üzemanyagcellák

Az üzemanyagcella a galvánelemhez hasonló elektrokémiai berendezés, de abban különbözik tőle, hogy az elektrokémiai reakcióhoz szükséges anyagokat kívülről táplálják bele - ellentétben a galvánelemben vagy akkumulátorban tárolt korlátozott energiamennyiséggel.

• Közvetlen metanol üzemanyagcella .
• Szilárd oxid üzemanyagcella .
• Lúgos üzemanyagcella .

Jegyzetek

1. ↑ 1. kiállítás – A Clarendon Dry Pile". Oxford Physics Teaching, History Archive. Letöltve: 2008. január 18.
2. ↑ A demonstrációs kísérletekben gyakran használják a narancssárga gyümölcs, alma stb.

Irodalom

• Dasoyan M. A. Kémiai áramforrások. - 2. kiadás - L. , 1969.
• Romanov VV, Khashev Yu. M. Kémiai áramforrások. - M. , 1968.
• Orlov V. A. Kis méretű áramforrások. - 2. kiadás - M. , 1970.
• Vaynel DV Újratölthető akkumulátorok. - per. angolból, 4. kiadás. - M. - L., 1960.
• Az elsődleges akkumulátor / szerk. GW Heise, N.C. Cahoon. - NY - L., 1971. - T. v. egy.

Linkek

• Kémiai áramforrások - egy cikk a Great Soviet Encyclopedia- ból . 
• A kémiai áramforrásokról
• Különféle elektrokémiai rendszerek akkumulátorai
• GOST R IEC 60050-482-2011 . A jelenlegi források vegyi eredetűek. Kifejezések és meghatározások.