„ZATWIERDZAM” ………………… dn. ………

……………………..

( stanowisko służbowe)

……………………………

(stopień, imię i nazwisko)

Data ......................

PLAN-KONSPEKT

Do przeprowadzenia zajęć Łączności z ………….
w dniu 17.03.2010 r.

I.TEMAT 6: Chemiczne źródła prądu elektrycznego.

II.CEL:

1.  Zapoznanie ze źródłami prądu elektrycznego.

III.FORMA: wykład

IV.CZAS: 1x 45 min

V.MIEJSCE: park artyleryjski

VI.ZAGADNIENIA:

1. Ogniwa galwaniczne

2. Ogniwa pierwotne

3.Ogniwa wtórne

VII.LITERATURA:

1. A. Cisak, L. Werblan, „Wysokoenergetyczne Niewodne Ogniwa Galwaniczne”,

2. W.S. Bagocki, W.N. Florow, “Chemiczne Zródła Energii Elektrycznej”, WNT Warszawa 1965

Lp	Zagadnienie i jego treść	Uwagi
1	1. Ogniwa galwaniczne Ogniwem galwanicznym nazywamy układ zło_ony z dwóch elektrod (półogniw) i elektrolitu. Anode ogniwa stanowi elektroda ujemna,katoda zas jest elektroda dodatnia. Na anodzie zachodzi utlenianie substancji stanowiacej materiał elektrodowy lub te_ dostarczonej do powierzchni elektrody z roztworu elektrolitu. Na katodzie zachodzi redukcja substancji elektrodowej lub substancji dostarczonej do powierzchni elektrody z roztworu. Jesli proces rozładowania przebiega nieodwracalnie i nie mo_na na drodze elektrolizy doprowadzic ogniwa do stanu poczatkowego, to mówimy o „ogniwie pierwotnym”. Jesli natomiast po rozładowaniu ogniwa mo_na na drodze elektrolizy doprowadzic ogniwo do stanu poczatkowego, nazywamy go „ogniwem wtórnym,” lub akumulatorem. Inaczej mówiac - akumulatory sa to ogniwa odwracalne. Wraz z rozwojem elektroniki rosnie zapotrzebowanie na przenosne zródła pradu, którymi sa ogniwa galwaniczne. W zale_nosci od warunków eksploatacji dobiera sie ogniwa o optymalnych do potrzeb parametrach. Jednym z podstawowych parametrów charakteryzujacych ogniwo, jest napiecie pomiedzy anoda i katoda. Ogniwa dzielimy na pierwotne i wtórne. Pierwsze po wyczerpaniu nie nadają się do dalszego użytkowania, drugie można regenerować przez ładowanie. Przykładem ogniwa pierwotnego jest ogniwo Lecklanche'go. Ogniwami wtórnymi są akumulatory. 2. Ogniwa pierwotne Często stosowanym ogniwem jest ogniwo Lecklanche'go zwane także ogniwem suchym. Ogniwo LecKlanche'go (rys.7.6) składa się z kubka cynkowego będącego jednocześnie biegunem ujemnym. Wewnątrz kubka jest elektrolit w postaci pasty złożonej z chlorku amonowego, niewielkiej ilości chlorku cynkowego, wody oraz ziemi okrzemkowej albo innego wypełniacza. W paście umieszczony jest pręt weglowy (grafitowy) otoczony woreczkiem zawierającym drobno sproszkowany tlenek manganu(IV). Pręt węglowy zaopatrzony jest na końcu w przykrywkę mosieżną dla lepszego kontaktu z pretem węglowym. Jest on w tym ogniwie biegunem dodatnim. Podczas pracy ogniwa zachodzą następujące reakcje elektrodowe: - na anodzie Zn --> Zn2+ + 2e - na katodzie (proces jest bardziej skomplikowany i złożony) 2NH4+ + 2e --> 2NH3 + H2 Uwolniony wodór reaguje z MnO2 H2 + 2MnO2 --> Mn2O3 + H2O Mangan redukuje się z Mn4+ do Mn3+. Wytworzona woda dostarcza wilgoci koniecznej do umozliwienia wędrówki jonów, a powstały amoniak jest związany przez jony cynku w jony zespolone aminocynkowe 4NH3 + Zn2+ --> [Zn(NH3)4]2+ Ogniwo to daje różnicę potencjałów ok. 1,4V. Napięcie w czasie pracy maleje do 0,8V. Wyższe napięcie można uzyskać przez połączenie kilku ogniw szeregowo w baterie. Jeżeli pobiera się prąd z ogniwa suchego w sposób ciągły, to dwie wtórne reakcje katodowe wiązania wodoru i amoniaku są dosyć wolne, katoda polaryzuje się i napięcie maleje. Jeżeli następuje przerwa w pobieraniu prądu, to reakcje depolaryzatora MnO2 oraz reakcja wiązania amoniaku zdąży zajść i napięcie ogniwa wzrasta. Innym sposobem pobudzenia wyczerpanego częściowo ogniwa suchego jest krótkotrwałe ogrzanie. Podwyższenie temperatury przyspiesza reakcję depolaryzacji, a także zwiększa szybkość dyfuzji jonów w elektrolicie. 3.Ogniwa wtórne Akumulator ołowiony - jest szeroko stosowanym ogniwem wtórnym. Wykorzystuje się go w samochodach, pociągach, laboratoriach jako źródło prądu stałego. Podstawowym składnikiem jest ołów. Elektrody sa wykonane z płyt ołowianych - kratownic - z wprasowanym w nie tlenkiem ołowiu(II) (PbO). Po umieszczeniu płyt w naczyniu, które jest obudową akumulatora, wprowadza się 20% roztwór wodny kwasu siarkowego(VI) o gestości 1,15 g/cm3 w temperaturze 25oC. Stosowany jest również bardziej stężony kwas siarkowy (30%) zależnie od typu akumulatora. Po zetknięciu się kwasu siarkowego(VI) z płytami zachodzi reakcja PbO(s) + H2SO4(c) --> PBSO4(s) + H2O(c) i na płytach osadza się siarczan ołowiu(II); elektrody są jeszcze identyczne. Ładowanie akumulatora powoduje zróżnicowanie elektrod. Ładowanie jest elektrolizą kwasu siarkowego akumulatora. Na elektrodzie połączonej z dodatnim biegunem zewnętrznym źródła prądu biegnie proces łańcuchowy. SO4(c)2- + PbSO4(s) --> Pb(SO4)2(c) + 2e Siarczan ołowiu(IV) ulega odwracalnej hydrolizie Pb(SO4)2(s) + 2H2O(c) --> PbO2(s) + H2SO4(c) a równolegle rozpuszczony siarczan ołowiu(IV) częściowo dysocjuje na jony Pb(SO4)2(c) <=> Pb(c)4+ + 2SO4(c)2- Na elektrodzie połączonej z ujemnym biegunem zewnętrznego źródła prądu zachodzą następujące procesy; 2H(c)+ + 2e --> 2H(ads) 2H(ads) + PbSO4(s) --> Pb(s) + H2SO4(c) Ostatecznie w wyniku ładowania na elektrodzie ujemnej powstaje ołów a na elektrodzie dodatniej - tlenek ołowiu(IV), który jest głównym składnikiem osadzonym na ołowiu. powstaje ogniwo o schemacie /+/Pb(s), PbO2(s) // H2SO4(c) // PbSO4(s), Pb/-/ Osadzone na elektrodach ołowianych substancje są gąbczaste. We wszystkich ogniwach stosowanych jako źródłą prądu dąży się do utworzenia dużej powierzchni czynnych elektrochemicznych reagentów. Podnosi to szybkość procesów elektrodowych. Dodatnia elektroda akumulatora ołowianego jest elektrodą redoksy, w której ołów metaliczny spełnia rolę wymiennika elektronów. Elektroda ujemna jest pierwszego rodzaju. Podczas pracy akumulatora biegną następujące procesy elektrodowe: - na ulektrodzie ujemnej Pb(s) --> Pb2+ + 2e Pb2+ + SO42- --> PbSO4(s) - na elektrodzie dodatniej Pb2+ --> Pb4+ + 2e Pb2+ + SO42- --> PbSO4(s) Sumaryczny proces w ogniwie przebiega następująco; 2PbSO4(s) + 2H2O(c) <=> PbO2(s) + Pb(s) + 2H2SO4(c) Podczas ładowania akumulatora reakcja biegnie na prawo, podczas pracy - na lewo. Siła elektromotoryczna akumulatora ołowianego wynosi 2,2V i w małym stopniu zależy od temperatury. Dla uzyskania większej wartości napięć zasilających pojedyńcze ogniwa łączy się szeregowo w baterię akumulatorów. W czasie pracy akumulatora należy nie dopuścić aby siła elektromotoryczna na pojedynczym ogniwie spadła poniżej 1,8V. Wtedy na elektrodach zachodzą procesy nieodwracalne. Między innymi tworzy się PbS (siarczek ołowiu(II)). Mówimy wtedy że akumulator uległ zasiarczeniu. Akumulator ołowiowy wrażliwy jest na wstrząsy, co wpływa na odpadanie porowatej masy płyt, która zwiera dolne części płyt. Wynikiem tego jest samorozładowanie sie akumulatora a w konsekwencji zasiarczenie. Wymaga ciągłej konserwacji, charakteryzuje się małą pojemnością i nadaje się do użycia tylko przy procesach krótkotrwałych, np. podczas uruchamiania samochodu. Akumulator niklowo-żelazowy (Edisona). Akumulator ten jest mniej wrażliwy na wstrząsy i nie wymaga konserwacji. Elektrolitem jest 21%(wagowo) roztwór KOH z małym dodatkiem soli litu. Jony litu adsorbują się na fazach stałych i działają katalitycznie. Ujemną elektrodą jest elektroda żelazna, a dodatnią - elektroda niklowa. Praktycznie elektroda niklowa jest mieszaniną tlenków NiO2, Ni2O3 lub Ni3O4 Ogniwo można przedstawić schematem /-/ Fe(s) / KOHaq / NiOOH(s), NiO2(s) / Ni(s) / + / Procesy elektrodowe są następujące: - na elektrodzie ujemnej Fe(s) + 3OH(c)- <=> FeO2H(c)- + H2O(c) + 2e FeO2H(c)- + H2O(c) <=> Fe(OH)2(s) + OH(c)- - na elektrodzie dodatniej NiOOH(s) + H2O(c) + e <=> Ni(OH)2(s) + OH(c)- NiO2(s) + H2O(c) + e <=> NiOOH(s) + OH(c)- Reakcje powyższe biegną na prawo w czasie pracy ogniwa, a na lewo - podczas ładowania. sumarycznie proces można zapisać; Fe(s) + 2NiOOH(s) + 2H2O(c) <=> Fe(OH)2(s) + 2Ni(OH)2(s) Przedstawiony akumulator może pracować do całkowitej utraty napiecia, wytwarzając duże natężenia prądu. Siła elektromotoryczna takiego akumulatora wynosi 1,4 - 1,2 V. Stosowany jest między innymi w radiostacjach różnego rodzaju ze wzgledu na dużą pojemność. Pomimo, że ogniwo niklowo-żelazowe ma mniejsze napięcie, ma jednak przewagę nad ogniwem ołowianym, ponieważ jony OU- wytworzone na katodzie są zużywane na anodzie, dzięki czemu nie ma zmiany stężenia elektrolitu podczas pracy akumulatora. Ogniwa paliwowe Każdą reakcję redoks mozna rozdzielić na reakcje połówkowe i wykorzystać do utworzenia ogniwa galwanicznego. W szczególności reakcje utlenienia gazów palnych np. CH4. Utlenianie metanu CH4 mozna zapisac reakcją; CH4(g) + 2O2(g) --> CO2(g) + 2H2O którą można podzielić na reakcje połówkowe.W kwaśnym roztworze przebiegają one następująco: anoda CH4(g) + 10H2O --> CO2(g) + 8H3O+ + 8e katoda 2O2(g) + 4H3O+ + 4e --> 4OH- W praktyce reakcja ta lepiej przebiega w środowisku zasadowym, gdzie produkt reakcji CO2(g) występuje jako jon węglanowy CO32-. Odpowiednie reakcje połówkowe w środowisku zasadowym są następujące. anoda CH4(g) + 10OH- --> CO32- + 7H2O + 8e katoda O2(g) + 2H2O + 4e --> 4OH- Szczegóły konstrukcji pracujacego ogniwa okazały się poważnym zagadnieniem w związku ze stosowaniem stopionych wysokotemperaturowych elektrolitów niemniej podstawowe elementy konstrukcyjne musza być takie same jak w przypadku innych ogniw, mianowicie dwa pomieszczenia elektrodowe zawierające reagenty odpowiednie do reakcji połówkowych. W rozpatrzonym przypadku dwoma reagentami sa gazy, które muszą być wprowadzone do ogniwa z zewnątrz jak to przedstawiono na rysunku. Aby zapewnić kontakt elektryczny z reagujacymi gazami przewodzacymi, lecz obojętnymi, elektrody sa zawieszone w strumieniu pęcherzyków gazów. Porowata przegroda wskazuje na konieczność ograniczonej wymiany jonów pomiędzy przedziałami, ponieważ reagujace gazy nie powinny sie mieszać. Jednym z działających ogniw paliwowych jest ogniwo, w którym wykorzystano reakcję 2H2(g) + O2(g) --> 2H2O Jako elektrolit ma tutaj zastosowanie wodny roztwór KOH. Ponieważ H2(g) i O2(g) reagują powoli w temperaturze zwykłej, to w ogniwie tym zastosowano odpowiednie katalizatory, które przyspieszają reakcje elektrodowe. Takie katalizatory są zmieszane i sprasowane z węglem; dla reakcji anodowej jest to rozdrobniona platyna lub pallad, a dla reakcji katodowej - tlenek kobaltowy CoO, platyna lub srebro.	Przyjmuje meldunek. Sprawdzam obecność. Podaje temat , cel oraz przebieg zajęć. Zwracam uwagę na dyscyplinę.
2	Podsumowanie zajęć, odpowiedzi na pytania uczestników.

OPRACOWAŁ

……………………………..

---