Історія відкриття і розвитку хімічних джерел струму

 

 

ЗМІСТ

 

 

 

 

 

ВСТУП

В сучасному світі широко використовуються явище хімічного струму, що описуються за допомогою фізики і хімії. Воно знайшло своє застосування і дало користь для людства. Хімічні джерела струму є рішенням багатьох проблем, а саме, як можна отримувати автономний струм, що отримується з маленьких елементів, відносно дешевий вид отримання струму.

Хімічні джерела струму (ХДС) - пристрої, що дозволяють отримувати електричну енергію за рахунок деякої хімічної реакції. В ХДС перехід хімічної енергії в електричну здійснюється безпосередньо без проміжного утворення теплової та механічної енергії, як це відбувається при використанні хімічної енергії горіння палива під паровими котлами теплових електростанцій або в двигунах внутрішнього згоряння.

На сьогоднішній день поширені акумулятори п'яти різних електрохімічних схем нікель-кадмієві (Ni-Cd), нікель-металогідридні (Ni-MH), свинцево-кислотні (Sealed Lead Acid, SLA), літій-іонні (Li-Ion) і літій-полімерні (Li-Polymer). Визначальним фактором для всіх перерахованих елементів живлення є не тільки портативність (тобто невеликий об'єм і вага), але і висока надійність, а також великий час роботи.

Проблема створення якісних джерел струму актуальна, тому що хімічні джерела струму йдуть в ногу з прогресом. Існування мобільного зв'язку без участі в роботі мобільних телефонів акумуляторних батарей неможливе. Для освоєння космосу необхідні довговічні досконалі джерела електричного струму. Також яскравим прикладом необхідності використання хімічних джерел струму є джерела безперебійного живлення, вони необхідні для коректної роботи комп'ютерних мереж в разі позаштатних ситуацій.

Не аби яку цікавість викликають і нові технології по отриманню струму за допомогою хімічних речовин, зараз дуже актуальні елементи з використанням літію, останніми роками ці елементи дуже добре зарекомендували себе.

Об'єктом дослідження курсової роботи є хімічні джерела струму (ХДС).

Предмет  дослідження – є сучасні хімічні джерела струму та їх застосування.

Метою роботи є розгляд основних типів ХДС, принцип їх роботи, перспективність, а також сфери застосування. В ході дослідження теми курсової роботи  розглянемо  перелік літератури, що описує принципи роботи, недоліки, а також стан науки у галузі створення ХДС.

Перед нами  були поставленні такі завдання:

1. Ознайомитися з історією відкриття і розвитку хімічних джерел  струму;
2. Охарактеризувати основні характеристики хімічних джерел струму;
3. Класифікувати  хімічні джерела струму
4. Виокремити найбільш поширені та перспективні типи хімічних джерел струму.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 1. ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ

1.1.Історія відкриття і розвитку хімічних джерел струму

 

До винаходу гальванічних елементів єдиним джерелом електрики були електричні електростатичні машини. У цих машинах електричний заряд виникає за рахунок тертя. Потім з'явилися індукційні машини, у яких заряди з'являлися на обертовних у протилежні сторони скляних дисках і накопичувалися на двох металевих кулях - розрядниках. Коли напруга на розрядниках перевищує напругу пробою повітря (приблизно 30 кіловольт), проскакує іскра і чутний тріск; аналогічне явище у великому масштабі відбувається і при розряді "дійсної" блискавки. Такі машини дозволяли проробляти деякі досліди (наприклад, за допомогою іскри можна було підпалити ефір), однак вони не могли давати електричний струм протягом хоча б декількох секунд.

У 1745-1746 роках німецький фізик Эвальд Юрген Фон Клейст і голландський фізик Пітер Ван Мушенбрук, що працювали в місті Лейдене, створили простий прилад, що дозволяє зберігати електричний заряд, отриманий від електростатичної машини. Це був прообраз сучасних конденсаторів, що назвали лейденською банкою. Він теж міг давати тільки короткочасний розряд.

Створенню постійних джерел струму сприяло відкриття, зроблене наприкінці XVІІІ ст. італійським професором анатомії Луїджи Гальвані. Гальвані препарував жабу, а неподалік стояла електростатична машина. Коли вістря скальпелю торкнулося стегнових нервів, то, як писав Гальвані, "негайно всі м'язи кінцівок почали так скорочуватися, що здавалися запалими в найсильніші тонічні судороги". Помічник Гальвані помітив, що в цей самий момент між полюсами машини проскочила іскра.

Розкрити природу відкритого Гальвані явища вдалось італійському фізику Алессандро Вольту. Спочатку він узагалі не повірив Гальвані, але, повторивши його досліди, переконався в тім, що явище дійсно існує. Однак досліди з дротом він пояснив зовсім інакше: електрика виникає при контакті різних металів, а жаба - це просто дуже чуттєвий прилад для виміру і до утворення електрики як такого відношення не має. Дослідницьким шляхом Вольт розташував метали в ряд таким чином, що чим далі один від одного вони в цьому ряді, тим більше сильний ефект роблять. Хіміки з подивом знайшли, що в такому ж порядку змінюється і хімічна активність металів. В даний час цей ряд називається рядом напруг металів або електродних потенціалів. В основних рисах він має вид Lі... Mg... Zn... Fe... Sn... H... Cu... Ag... Au.

Вольт, крім жаби, використовував і інші способи виміру, наприклад, власний язик: він клав на нього золоту чи срібну монету, а під язик - мідну. Як тільки дві монети з'єднували шматочком дроту, відразу ж у роті відчувався кислий смак. Щоб підсилити ефект, Вольт з'єднував пари металів послідовно, так що вийшов ланцюжок, названа по імені винахідника "вольтовим стовпом". Спочатку це були чашечки з розчином кислоти, у яку були опущені металеві смужки, потім - кружечки з цинку і міді (чи срібла), розділені прокладками з папера, тканини, що були пропитані розчином лугу або просто розсолом.

Введння в електричний ланцюг розчинів (Вольт назвав їх провідниками другого роду на відміну від металів - провідників першого роду) виявилося вирішальним у винаході Вольта. У пам'ять про Гальвані Вольт назвав свої елементи гальванічними. Незабаром англійський хірург і хімік Ентоні Карлейль виготовив вольтов стовп із 36 послідовно з'єднаних цинкових кружків і монет. У перших дослідах з батареєю спостерігалося розкладання води з утворенням газів.

Відомий англійський хімік Гемфрі Деві виготовив вольтов стовп із мідних і цинкових пластинок, розділених водяним розчином аміаку. Перша його батарея складалася з 60 таких елементів, а через кілька років довів їхню кількість до тисячі. За допомогою цієї батареї він провів знамениті досвіди по виділенню нових елементів - лужних і лужноземельних металів.

Ще більш грандіозну батарею побудував за кілька років до Деві росіянин фізик-самоучка Василь Володимирович Петров. У 1802 році він створив батарею, що складається з 4200 мідних і цинкових пластин. Між металевими кружками прокладалися картонні кружки, просочені розчином хлориду амонію. "Стовп Петрова", на відміну від вольтова стовпа, розташовувався горизонтально в сухих вузьких дерев'яних шухлядках. Уся батарея була складена з чотирьох рядів, кожен довжиною близько 3 м, з'єднаних послідовно мідними дужками. Теоретично така батарея може давати напругу до 2500 вольт. За допомогою цієї гігантської батареї Петров провів безліч дослідів: він розкладав різні речовини, у тому числі органічні, а також оксиди металів - ртуті, свинцю й олова. У 1803 Петров вперше у світі одержав електричну дугу і вказав на можливість її практичного застосування; так, з її допомогою йому вдалося розплавити метали, яскраво висвітлювати великі приміщення.

Протягом XІХ ст. працями фізиків і хіміків була закладена теорія роботи гальванічних елементів; основна заслуга в цьому належить німецькому фізико-хіміку Вальтерові Нернсту. Конструкція елементів також була значно удосконалена. Головний підсумок роботи теоретиків такий: у гальванічному елементі відбувається пряме перетворення хімічної енергії в електричну. Для цього в елементі повинна протікати окислювально-відновна реакція, наприклад, розчинення цинку в кислому середовищі:

Zn + 2H+ = Zn2+ + H2.

Атоми цинку (відновники) віддають електрони:

Zn - 2e = Zn2+,

а іони водню (окислювачі) їхній приймають:

2H+ + 2e = H2.

У гальванічному елементі процеси окислення і відновлення просторово розділені: водень повинний виділятися не на цинку, а на міді. Тоді електрони від цинку до міді будуть переходити не безпосередньо в розчині (у цьому випадку вони губляться без користі), а через зовнішній ланцюг, де можуть робити корисну роботу. Саме так працює елемент Вольта.

В елементі Вольта навіть при незамкнутому зовнішньому ланцюзі все-таки йде окисно-відновна реакція на межі цинк-кислота (катодами слугують домішки в цинку). Тому це джерело струму на практиці не застосовується. Крім того, що виділяються на мідному електроді і прилипають до нього пухирці водню сильно заважають роботі елемента. На цю обставину в 1836 звернув увагу Джон Фредерік Даніель - британський хімік і метеоролог (він винайшов також вимірник вологості - гігрометр). У його конструкції цинковий електрод занурений у розчин цинкового купоросу (сульфату цинку), а мідний - у розчин мідного купоросу (сульфату міді).

Гальванічний елемент Даніеля-Якобі

Схема гальванічного елемента Даніеля-Якобі наведена на мал.1. Він складається з мідної пластини, зануреної в розчин CuS04, і цинкової пластини, зануреної в розчин ZnS04. Для запобігання прямої взаємодії окислювача і відновника електроди відокремлені один від одного пористою перегородкою. На поверхні Мал. 1 Елемент Даніеля-Якобі цинкової пластини виникає подвійний електричний шар і встановлюється рівновага Zn↔Zn2+ + 2e- . В результаті протікання цього процесу виникає електродний потенціал цинку. На поверхні мідної пластини також виникає подвійний електричний шар і встановлюється рівновага Cu↔Cu2+ + 2e - тому виникає електродний потенціал міді.

Потенціал цинкового електрода має від'ємне значення, ніж потенціал мідного електрода, тому при замиканні зовнішнього ланцюга, тобто при з'єднанні цинку з міддю металевим провідником, електрони будуть переходити від цинку до міді. В результаті переходу електронів від цинку до міді рівновага на цинковому електроді зміститься вправо, тому в розчин перейде додаткова кількість іонів цинку. У той же час рівновага на мідному електроді зміститься вліво і відбудеться розряд іонів міді.

Таким чином, при замиканні зовнішнььго ланцюга виникають мимовільні процеси розчинення цинку на цинковому електроді та виділення міді на мідному електроді. Дані процеси будуть тривати до тих пір, поки не зрівняються потенціали електродів або не розчиниться весь цинк.

Отже, при роботі елемента Даніеля - Якобі протікають наступні процеси:

1) реакція окислення цинку Zn - 2e-↔Zn2+ Процеси окислення в електрохімії отримали назву анодних процесів, а електроди, на яких відбуваються процеси окиснення, називають анодами;

2) реакція відновлення  іонів міді Cu2+ + 2e-→Cu. Процеси відновлення в електрохімії отримали назву катодних процесів, а електроди, на яких йдуть процеси відновлення, називають катодом;

3) рух електронів у зовнішній ланцюг;

4) рух іонів в розчині: аніонів (SO42-) до анода, катіонів (Cu2+, Zn2+) до катода. Рух іонів в розчині замикає електричний ланцюг гальванічного елемента. Підсумовуючи електродні реакції, отримуємо:

Zn + Cu2+= Cu+Zn2+

Внаслідок хімічної реакції в гальванічному елементі виникає рух електронів у зовнішній ланцюга і іонів всередині елемента, тобто електричний струм, тому сумарна хімічна реакція, що протікає в гальванічному елементі, називається струмоутворююча..

Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu

Дія гальванічного елементу припиняється після повного чи часткового використання якогось електроду (наприклад, цинку). Тому що хімічна реакція, що протікає в елементі, не оборотня, його не можна знову "зарядити". Електрорушійна сила елемента (ЕРС) не залежить від розмірів і конструкції електродів, від кількості електроліту, але залежить від природи хімічної реакції, що протікає, від складу і концентрації електроліту.

Значно удосконалив гальванічний елемент і зробив його зручним для практичного використання французький інженер Жорж Лекланше в 1867. Як деполяризатор він використовував діоксид марганцю, що на катоді відновлюється, перешкоджаючи виділенню газоподібного водню:

MnО2 + 4H+ + 2e = Mn2+ + 2H2O

Спочатку електролітом служив водяний розчин хлориду амонію; потім Лекланше став використовувати електроліт, загущений клейстером. Винахід Лекланше мав негайний комерційний успіх, а сам винахідник, закинувши свою основну професію, відкрив фабрику по виробництву елементів.

Якщо хімічне джерело струму зроблене якісно і не робить роботи (не включений ні в який електричний ланцюг), то напруга на ньому може не мінятися буквально століттями. Так, електричний дзвоник, що зберігається в музеї фізичних приладів Кларендонської фізичної лабораторії в Оксфорді, без усякої чи підзарядки зміни батареї, справно (і безупинно) працює від батареї гальванічних елементів уже понад півтора століття.

На відміну від гальванічних елементів, в акумуляторі використовуються оборотні хімічні реакції. Так, при розряді найпоширенішого свинцевого акумулятора йде реакція

PbО2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O;

у нікель-кадмієвому:  2NіOOH + Cd = 2Nі(OH)2 + Cd(OH)2                                (аналогічна реакція йде в нікель-залізному акумуляторі);

у срібно-цинковому:  Ag2O + Zn = Zn + 2Ag;

при заряді всі ці реакції йдуть у зворотному напрямку. Тому акумулятор можна заряджати за допомогою зовнішнього джерела струму.

У 1970 р. почались дослідження нового типу акумуляторів - нікель-гідридних, а в 80-і роки з'явилися перші робочі зразки, у яких струм генерувався в результаті реакції 2NіOOH + H2= 2Nі(OH)2. При заряді водень знову виділявся. Тому що водень для таких акумуляторів знаходиться під великим тиском, блок з електродами поміщають у сталевий циліндр. Ці акумулятори запасали на 40% більше енергії (на одиницю маси), ніж нікель-кадмієві. Через високу вартість ці акумулятори застосовували тільки в космічній техніці. В останні роки розроблені мініатюрні метал-гідридні акумулятори; у них при заряді катіони водню в електроліті відновлюються, атоми водню дифундують у метал  і утворюється гідрид. При розряді процес йде в зворотному напрямку. Перевагу таких акумуляторів може оцінити кожен власник мобільного телефону.