Лекции 9-10 Щелочные первичные ХИТ с цинковым анодом
Лекции 9-10
Щелочные первичные ХИТс цинковым анодом
2
Щелочной электролит
КОН (27-40% или 6-10 моль/л)
NaOH (20% или 6 моль/л)
3
Цинковый электрод в щелочном электролите: Первичный процесс
Средние и большие плотности тока
Zn + 4OH- ZnO22- + 2H2O + 2e- (Еа=-1,216 В)
Zn(OH)42-
Особенности: Расходуется большое количество щелочи Образуется растворимый цинкат (растворимость 1-2 моль/л) При насыщении раствора цинкатом на поверхности цинка
осаждается Zn(OH)2 – первичный процесс прекращается Следовательно, емкость цинкового электрода в данном
случае лимитируется не количеством цинка, а количеством щелочи
4
Цинковый электрод в щелочном электролите: Вторичный процесс
Малые плотности тока
Zn + 2OH- Zn(OH)2 + 2e- или
Zn + 2OH- ZnO + Н2О + 2e- (Еа=-1,245 В)
Особенности: Расход щелочи – в 2 раза меньше, чем в первичном
процессе Образуются нерастворимые гидроксид или оксид Емкость цинкового электрода в данном случае
количеством щелочи не лимитируется
на катоде: на один электрон выделяется один ион ОН-
5
Первый способ использования цинкового анода в щелочных растворах
1. Используется только первичный процесс. Цинковый электрод погружается вместе с катодом в емкость с большим объемом щелочного электролита. Zn имеет гладкую поверхность и работает до насыщения раствора цинкатом при высоких плотностях тока
6
Второй способ использования цинкового анода в щелочных растворах
2. Используется только вторичный процесс. Цинковый электрод представляет собой порошковый электрод с большой площадью поверхности для снижения плотности тока
Первый способ: Щелочные меднооксидные элементы (МОЭ)
Катод– Брикет из CuO, смешанного со связующим
веществом (жидкое стекло)
Анод– Отливается из сплава цинка с ртутью
Амальгамация цинка применяется для снижения коррозии цинка
Малейшие примеси железа недопустимы, так как резко увеличивают коррозию цинка
– Емкость анода превышает емкость катода на 20-30%
Электролит– 20% р-р NaOH
7
8
Процессы на катоде
2CuO + H2O + 2e Cu2O + 2OH-
(Ек=-0,28 В)Токообразующая реакция 1
2CuO + H2O + Zn + 2NaOH Cu2O + Na2Zn(OH)4, Е0 = -0,28-(-1,245) = 0,965 В
Cu2O + H2O + 2e 2Cu + 2OH-
(Ек=-0,56 В)Токообразующая реакция 2
Cu2O + H2O + Zn + 2NaOH 2Cu + Na2Zn(OH)4, Е0 = -0,56 +1,245 = 0,685 В
9
Характеристики щелочных МОЭ
Стабильное напряжение Возможность работы при отрицательных
температурах (до -10С) Ничтожный саморазряд Срок службы 10-15 лет Простота в эксплуатации Основная область применения:
сигнализация и связь на железной дороге
Второй способ:1. Ртутно-цинковые элементы (РЦЭ)
Катод– Оксид ртути HgO,
смешанный с графитом и ПАВ
Анод– Амальгамированный
цинковый порошок, пропитанный электролитом
Сепаратор электродов– Картон, пропитанный
электролитом Электролит
– 40% р-р KOH, насыщенный цинкатом10
11
Процесс на катоде
HgO + H2O + 2e Hg + 2OH-, Ек=0,1 В
Токообразующая реакция
HgO + H2O + Zn Hg + Zn(OH)2,
Е0 = 0,1 – (-1,245) = 1,345 В
12
Характеристики ртутно-цинкового элемента
Коэффициент использования цинка и оксида ртути почти 100% из-за ничтожной коррозии цинка
Небольшой избыток HgO обеспечивает лимит емкости элемента по цинку, что защищает элемент от разрыва в случае выделения водорода на стальном корпусе элемента
Стабильное напряжение Малогабаритность Хорошая сохраняемость (до 5 лет без потери
емкости)
13
Недостатки РЦЭ
Высокая стоимость
Дефицит ртутного сырья
Токсичность ртути
История ртутно-цинковых элементов
Samuel Ruben (1900-1988) Первый вариант РЦ-элемента
14
Duracell
15
16
Второй способ:2. Марганцево-цинковые элементы (МЦЭ)
Катод– Электролитический оксид марганца MnO2,
смешанный с графитом, щелочным раствором и связующими веществами
Анод– Паста из 30%-го раствора КОН, загущенного
крахмалом, в котором распределен цинковый порошок
Электролит– 30% р-р KOH
17
Устройство щелочного МЦЭ
1-катод 2-сепаратор с
электролитом 3-корпус 4-футляр 5-токоотвод 6-анод 7-дно 8-прокладка
18
Процесс на катоде
MnO2 + H2O + e MnOOH + OH-
(ср. элемент Лекланше)
19
Характеристики марганцево-цинкового элемента
Емкость и энергозапас – выше, чем у элемента Лекланше, но ниже, чем у РЦ-элементов
Хорошая сохраняемость
Вестник Тамбовского ГТУ. 2010. Том 16. № 2.
20