Преобразование химической энергии в электрическую кратко

Обновлено: 18.05.2024

Химическим источником тока называется устройство, в котором за счет протекания пространственно разделенных окислительно-восстановительных химических реакций их свободная энергия преобразуется в электрическую. По характеру работы эти источники делятся на две группы:

• первичные химические источники тока или гальванические элементы;

• вторичные источники или электрические аккумуляторы.

Первичные источники допускают только однократное использование, так как вещества, образующиеся при их разряде, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Полностью разряженный гальванический элемент, как правило, к дальнейшей работе непригоден - он является необратимым источником энергии.

Вторичные химические источники тока являются обратимыми источниками энергии - после как угодно глубокого разряда их работоспособность можно полностью восстановить путем заряда. Для этого через вторичный источник достаточно пропустить электрический ток в направлении, обратном тому, в котором он протекал при разряде. В процессе заряда образовавшиеся при разряде вещества, превратятся в первоначальные активные материалы. Так происходит многократное превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую энергию (разряд аккумулятора) и обратное превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока (заряд аккумулятора).

Прохождение тока через электрохимические системы связано с происходящими при этом химическими реакциями (превращениями). Поэтому между количеством вещества, вступившего в электрохимическую реакцию и подвергшегося превращениям, и количеством затраченного или высвободившегося при этом электричества существует зависимость, которая была установлена Майклом Фарадеем.

Появление разности потенциалов объясняется тем, что вещество электрода под действием химических сил растворяется в электролите (например, цинк в растворе серной кислоты) и положительные ионы его переходят в электролит. Помещая в электролит два электрода из равных металлов, получим между ними разность электродных потенциалов — стороннюю ЭДС E = φ1—φ2 - Следовательно, устройство, состоящее из двух разнородных электродов, помещенных в электролит, является источником питания – гальваническим или первичным элементом, в котором происходит процесс преобразования (необратимый) химической энергии в электрическую.

Большое распространение получили сухие и наливные марганцово-цинковые элементы. По конструкции они делятся на стаканчиковые и галетные. В элементе стаканчиковой конструкции цинковый электрод имеет форму стакана, внутри которого расположен положительный электрод — угольный стержень. Угольный электрод окружен деполяризатором из двуокиси марганца, графита и сажи. Цинковый стакан заполняется электролитом – водным раствором хлористого аммония (нашатыря) с добавлением крахмала в качестве загустителя. Электродвижущая сила элемента E=1,5 В. Номинальным разрядным током элемента называется наибольший длительный ток, допускаемый при его эксплуатации. Емкостью элемента называется количество электричества, выраженное в ампер-часах (А·ч), которое можно получить от элемента за весь период его работы. Как от дельные элементы, так и собранные из них батареи широко применяются в радиотехнике, аппаратуре проводной связи, для карманных фонарей, слуховых аппаратов и т. д.

Аккумуляторы (вторичные элементы). Гальванические элементы, у которых после их разрядки возможен обратный процесс зарядки с преобразованием электрической энергии в химическую, называются аккумуляторами или вторичными элементами.

Щелочной аккумулятор получил такое название по электролиту— щелочи, а именно 21 %-му водному раствору едкого калия КОН или едкого натрия NaOH. Аккумулятор состоит из двух блоков – пластин, расположенных в стальном сосуде с электролитом. Пластины – это стальные рамки с вставленными в них стальными коробочками, заполненными активной массой. Активная масса отрицательных пластин кадмиево-никелевых элементов состоит из губчатого кадмия, а железо-никелевых – из губчатого железа. Активная масса положительных пластин у обоих аккумуляторов состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH)3.

При разрядке гидрат окиси никеля переходит в гидрат закиси никеля, а губчатый кадмий (железо) – в гидрат его закиси. Химическая реакция при разрядке выражается уравнением:

2Ni(OH)3 + 2КОН + Cd ->- 3Ni(OH)2 + 2KOН + Cd(OH)2.

При зарядке реакция идет в обратном направлении и, следовательно, происходит восстановление активной массы электродов. Концентрация электролита при разрядке и зарядке остается неизменной. При разрядке напряжение с 1,4 В сначала быстро уменьшается до 1,3 В, а затем медленно до 1,15 В; при этом напряжении разрядку необходимо прекращать. При зарядке напряжение с 1,15 В быстро увеличивается до 1,75 В, а затем после незначительного понижения медленно увеличивается до 1,85 В. Кроме щелочных широко применяются и кислотные /свинцовые) аккумуляторы.

Преобразование хим энергии в электронную связано с явлением электролитической диссоциации, суть которого состоит в образовании заряженных частиц — ионов при растворении неко­торых веществ (кислот, солей и др.).

На рис. 1 показана цинковая пластинка, опущенная в аква раствор серной кислоты (электролит). Цинк растворяется в электро­лите, при этом в раствор перебегают поло­жительные ионы Zn+. Раствор заряжает­ся положительно, а цинк — отрицатель­но. Растворение цинка обосновано хим силами.

В области контакта цинк — раствор возникает электронное поле образо­вавшихся ионов, направленное от раст­вора к цинку.


Рис. 1 Цинковая пластинка в растворе серной кислоты

По мере растворения цинка вырастает заряд, а совместно с ним и напряженность электронного поля. Электронное по­ле противодействует переходу ионов Zn+ в раствор, потому на определенной ста­дии растворение цинка прекращается.

Такое сбалансированное состояние соответствует равенству 2-ух сил, действующих на ионы Zn+: хим, под действием которых цинк растворяется, и электронных, препятствующих растворению. Раст­ворение цинка прекращается при наличии некой разности потен­циалов ? 1 меж цинком и веществом.

Если в тот же раствор поместить пластинку из другого вещества, то описанный процесс будет иметь место и в данном случае. Но получен­ная разность потенциалов ? 2 может быть другой величины — больше либо меньше ? 1.

По такому принципу появляется э. д. с. гальванического элемента и аккума (рис. 2 а, б).


Рис. 2 Режим зарядки свинцового аккума

При соединении пластинок I и II проводником в замкнутой цепи будет действовать э. д. с. хим элемента

и установится электронный ток.

В этом случае э. д. с. создается и поддерживается при работе элемента хим силами (посторонние силы), и, как следует, можно гласить о преобразовании хим энергии в электронную.

Электронный ток в гальвани­ческом элементе сопровождается необратимыми химическими процессами, которые можно опи­сать определенными хим реакциями.

Применение гальванических частей ограничено — в единицу времени они могут дать только незна­чительное количество электриче­ской энергии, а срок их работы невелик и завершается, когда активное вещество электродов в определенной степени будет израс­ходовано.

Существенно большее примене­ние имеют батареи, электро­химические процессы которых об­ратимы. Обратимость электрохими­ческих процессов позволяет прово­дить неоднократную зарядку и раз­рядку аккумов. При зарядке в их скапливается определенное количество хим энергии за счет израсходованной электронной энергии, а при разрядке эта энергия может быть применена в электронной цепи в виде элек­трической энергии. Рис. 2 соответствует режиму разрядки свин­цового аккума.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Г.Сосновый Бор Ленинградской области

Кондрашкова Ксения Михайловна,

ГЛАВА I. Обзор литературы

Превращение химической энергии в электричество………………… ……5-6

Химические источники электрической энергии………………………. 7-9

Предпосылки к появлению гальванических элементов………………. 10-14

Измерение электрической энергии………………………………………..15-16

Преобразование химической энергии в электрическую………………. 17-18

ГЛАВА II . Практическая часть

Описание проведения эксперимента получения электричества при помощи химической реакции………. ………………………………………. 19-20

Актуальность моей работы заключается в том, чтобы находить интересное и необычное рядом, в доступных для наблюдения и изучения предметах, а электричество очень важно для современного человека.

Электричество является одним из самых важных изобретений человека. Невозможно даже представить в настоящее время жизнь без него. Но не каждый знает и не интересуется, можно ли получить электричество из подручных материалов, которое может помочь в экстренные моменты.

Гипотеза моего исследования : Изучив состав гальванических элементов разного типа, я предположил, что из подручных материалов можно попробовать изготовить солевой элемент.

Цель : Выяснить, возможно ли получить электричество из бытовых химических веществ.

1)Узнать, что такое электрическая энергия, как её получают и как измеряют ее количество.

2)Изготовить из подручных материалов электрическую батарейку и превратить электрическую энергию в видимый свет.

3)Получить химический источник напряжения и запитать от него светодиод лампочку маловольтную.
4) Сделать вывод по полученным результатам.

Объект исследования : электрическая энергия

Предмет исследования : химический источник напряжения.

Продукт : Презентация, которую можно использовать на уроках химии, обж или физики.

Глава I . Обзор литературы

Превращение химической энергии в электричество

Данная работа представляет собой исследование в области получения электричества при химических реакциях.

В 1800 году Алессандро Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и показал, что по проволоке протекает электрический ток.

В 1803 году русский физик Василий Петров создал самый мощный в мире вольтов столб, составленный из 4 200 медных и цинковых кругов и развивающий напряжение до 2 500 вольт. С помощью этого прибора ему удалось открыть такое важное явление, как электрическая дуга, применяемая в электросварке; а в Российской армии стал применяться электрический запал пороха и взрывчатки. В природе электрической дугой является молния во время грозы.

Вот уже более двух столетий идёт развитие гальванических элементов, их чаще называют батарейками. Сейчас широко распространены следующие гальванические элементы: солевые, щелочные, никелевые и литиевые.

Достоинства гальванических элементов: малый размер, большая электрическая ёмкость, относительная дешевизна.

Недостатки гальванических элементов: отсутствие возможности перезаряда, после разряда гальванический элемент становится бесполезным.

1.1. Химические источники электрической энергии

Химические источники тока – это устройства, работа которых обусловлена преобразованием выделяемой при окислительно-восстановительном процессе химической энергии в энергию электрическую.

Если окислительно-восстановительную реакцию осуществить так, чтобы процессы окисления и восстановления были пространственно разделены, и создать возможность перехода электронов от восстановителя к окислителю по проводнику (внешней цепи), то во внешней цепи возникнет направленное перемещение электронов — электрический ток. При этом энергия химической окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию. Устройства, в которых происходит такое превращение, называются химическими источниками электрической энергии, или гальваническими элементами.

В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико.

Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами (высокая и практически постоянная э. д. с., возможность отбирания больших токов, длительная сохранность и др.). Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.

Химические источники электрической энергии приобрели широкое применение в современной технике в качестве автономных источников электроэнергии. Ежегодно в мире выпускают более 10 млрд. штук гальванических элементов и аккумуляторов. Для их изготовления расходуется большое количество свинца, цинка, никеля, кадмия, серебра и их соединений. В частности, на электроды свинцовых аккумуляторов расходуется больше половины мирового производства свинца.

Химические источники электрической энергии подразделяются на источники одноразового использования — элементы и многоразового использования — аккумуляторы. Аккумуляторы — это источники электрической энергии, которые после использования (разряда) могут быть возвращены в исходное состояние при протекании тока в направлении, противоположном току разряда, под воздействием внешнего источника энергии (т. е. при заряде).

К преимуществам химических источников тока относится универсальность их применения. Источником питания многих бытовых устройств, а также приборов, используемых в научных лабораториях или на производстве, являются именно химические источники питания. Востребованность химических источников тока в обеспечении функционирования аппаратуры связи или портативной электронной аппаратуры заслуживает особого внимания, так как в этом случае они являются незаменимыми.

Конструктивно химические источники тока представляют собой два металлических электрода, разделенных электролитом. Электроды изготавливаются из металла, который является проводником электронов (электронная проводимость), а электролит изготавливается из жидкого или твердого вещества, являющегося проводником ионов (ионная проводимость).

Если для питания, какого либо потребителя, требуется высокое напряжение, то электрические аккумуляторы соединяются последовательно. В случае, когда для электропитания требуется большой ток, электрические аккумуляторы соединяются параллельно и носят название аккумуляторной батареи.

К химическим источникам электрической энергии (электродвижущие силы химического происхождения) относятся гальванические элементы и аккумуляторы.

В зависимости от характера работы различные типы химических источников питания носят название гальванических элементов либо электрических аккумуляторов.

К отличительной особенности химических источников тока, называемых гальваническими элементами, относится возможность одноразового применения, так как их выделяющие электрическую энергию активные вещества подлежат полному распаду в процессе химической реакции. При полном разряде гальванического элемента его дальнейшее применение невозможно.
Особенностью таких химических источников тока, как электрические аккумуляторы, является их многоразовое использование за счет обратимости основных действующих процессов.

Разряженный электрический аккумулятор обладает способностью регенерировать свои дающие электрическую энергию активные вещества за счет процесса пропускания через него постоянного тока, источником которого служит другое устройство.

При заряде электрического аккумулятора постоянный тока другого источника должен протекать в направлении, противоположном разрядному току. Такое условие способствует замене реакции окисления на реакцию восстановления на положительном электроде, и наоборот, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется на реакцию восстановления.

1.2. Предпосылки к появлению гальванических элементов.

Батарея В.В. Петрова
В этой батарее Петров не стал располагать кружки столбиком. Столб из 4200 кружков получался, по расчетам Петрова, высотой в 40 футов, то есть более 12 метров. Обращаться с таким столбом было бы затруднительно, пришлось бы ломать потолки в лаборатории, и батарея поднялась бы над крышей здания, как фабричная труба. А главное, ученый опасался, что под тяжестью столба влага из прокладок в нижней части батареи будет выдавлена, и ожидаемого результата не получится.

Петров заказал ящики из красного дерева, разгороженные на восемь отделений. Внутренние стенки ящика и все перегородки он облил расплавленным сургучом. Когда сургуч застыл, получилась твердая, совершенно водонепроницаемая корка, служившая прекрасной изоляцией.
В каждое отделение Петров уложил по 525 медных и цинковых кружков. Все секции своей батареи Петров соединил изолированными проводами, употребляя для изоляции шелк, сургуч, воск, лаки. Это было крупной технической новинкой. Но никто из ученых не понимал тогда, как важно тщательно изолировать проводники. Петров доказал, что только надежно изолированная батарея способна дать наиболее сильный ток.
С помощью своего вольтова столба Петров создал электрическую дугу, - открыл один из видов электрического разряда — дуговой разряд.

Задолго до того, как был построен первый гальванический элемент, и даже, пожалуй, раньше, чем были осознаны какие-либо электрические явления, человечество познакомилось с постоянными магнитами природного происхождения и, соответственно, с магнитными явлениями.

Первые шаги экспериментальной электрохимии были связаны с открытием Гальвани и Вольта примитивных источников тока - первых гальванических элементов. Сочетание анодного растворения с последующим катодным электроосаждением лежит в основе рафинирования металлов электролизом.

Первый гальванический элемент состоял из медных и цинковых пластинок, между которыми помещались смоченные в уксусной кислоте прокладки из сукна. Возникновение электрического тока в нем сопровождается химическими превращениями на электродах.

В тридцатых годах нашего века немецкий археолог Ке-ииг нашел в районе Багдада керамический сосуд с остатками меди и железа и высказал предположение, что это не что иное, как первый гальванический элемент. В 1962 г. в районе древнего города Селевкия, расположенного южнее Багдада на высоком берегу Тигра, американские археологи вновь обнаружили загадочные конусообразные керамические сосуды с разъединенными медными цилиндрами и железными брусками внутри. Неподалеку раскопали серебряные украшения, на которых хорошо сохранилась позолота. Вручную нанести тонкий слой золота поверх серебра невозможно. В наши дни для этого пользуются электролизом.

На рубеже 18 и 18 веков итальянский врач Гальвани, производя опыты с препарированной лягушкой обнаружил, что прикасаясь парой разнородных металлов к обнаженным мускулам и нервам, замечается сокращение лапок мертвой лягушки. Гальвани объяснил это тем, что в лягушке имеется "животное электричество".

Соотечественник Гальвани Алессандро вольта установил, что причина явления другая, все дело в паре разнородных металлов. Еще один итальянец Фаброни выдвинул уже не физиологическую (Гальвани) и не физическую (Вольта), а химическую (в 1800 году) теорию. В элементе происходит химическая реакция. Из русских ученых активным сторонником химической теории был петербургский академик Паррот.

Превращение электрической энергии в тепловую.

практически сразу было замечено, что электрический ток, проходя по проводам, нагревает их. В 1802 году русский профессор В.В. Петров, исследуя электропроводность льда, замкнул батарею из 4200 кружков из меди и и цинка двумя древесными угольками и между ними вспыхнул ослепительный свет. Так петровым была открыта электрическая дуга. Василий Владимирович Петров обнаружил, что в его дуге электрический ток создает высокую температуру, при которой плавятся тугоплавкие металлы. Затем это открытие было использовано для электрической пайки,электроплавки, электроотливки и электросварки.

Превращение тепловой энергии в электрическую.

В первой половине 19 века была открыта способность теплоты превращаться непосредственно в электрическую энергию. для этого необходимо плотно соединить или спаять концы двух пластинок из разных металлов, например меди и железа. Достаточно теплой рукой коснуться места спайки, чтобы возник электрический ток. Ток получил название термотока, а прибор - термопары.

Превращение электрической энергии в световую.

Ученые не могли не заметить, что переход электроэнергии в тепловую неизменно сопровождается излучением света. Изобретателем лампы накаливания является русский ученый электротехник А.Н. Лодыгин. сначала накаливался угольный стерженек который затем был заменен металлической нитью.

Читайте также: