Pile Electrochimice [PDF]

Zitiervorschau

Pile electrochimice

Introducere În condițiile în care rezervele de țiței devin tot mai limitate și cand prețul acestuia a crescut într-un ritm vertiginos, majoritatea țărilor consumatoare au trecut la fabricarea intensă a carbunilor sau a altor surse neconventionale de energie pentru economisirea hidrocarburilor. Activitatea care se desfăsoara în prezent în întreaga lume în vederea obținerii de energie este orientata pe lânga alte direcții și în direcția crearii de noi forme de inmagazinare a energiei facând apel la electrochimie. Din ce în ce mai des se face astazi apel la sursele autonome de energie, dând un rol privilegiat generatoarelor electrochimice fată de generatoarele solare termoionoce, termoelectrice, datorita faptului că transformarea energiei chimice în energie electrica se face cu randament ridicat. Sursele primare clasice, istoric privite, sunt cele mai vechi, au fost supuse unui proces de rîintinerire și diversificare, ca să poata face fată miniaturizarilor impuse de electronică, au aparut si alte surse cu alte cupluri de electrozi, in constructie perfect etansa, cu parametrii functionali superiori si cu energie specifica ridicata. Siguranța functională și posibilitatile de miniaturizare fiind mai mari la aceste surse, se asigura o utilizare proprie pentru consumatorii cei mai exigenți. Din punct de vedere economic sursele primare nu reprezintă însă o soluție optimă. Faptul ca materiile prime, în cele mai multe cazuri energointensive, se utilizeaza intr-un singur ciclu functional, reduce mult eficienta globala, mareste costurile specifice si limiteaza domeniile de utilizare. Sursele chimice de curent secundare sau acumulatoarele electrice sunt surse de curent a caror capacitate de functionare poate fi restabilita dupa descarcare, prin încarcare, adică prin trecerea curentului prin acumulator in sensul opus sensului curentului de descarcare. Prin descarcare acumulatorului are loc transformarea energiei chimice in energie electrică, iar substantele active trec în produse ale descărcarii, prin incarcarea acumulatorului, energia electrică se transforma în energie chimica, iar produsele descarcării trec in substante active.

3

Sursele chimice de curent pot fi construite sub forme foarte variate, însă in principiu, atat pilele cât și acumulatoarele sunt construite din doi electrozi separate printrun strat de electrolit. Clasificarea celulelor electrochimice Există doua tipuri de celule electrochimice și anume celule galvanice si celule electrolitice. O celula electrolitică este cea in care se forteaza producerea unor reacții electrochimice care nu au loc în mod spontan, prin aplicarea unei tensiuni electrice exterioare. Așadar, pentru producerea unor reacții electrochimice se consumă energie electrică. Spre deosebire e aceasta, o celulă galvanica este cea în care are loc, în mod spontan, o modificare de natura chimică, producandu-se energie electrica. Prin urmare, cu ajutorul acestui dispozitiv, energia chimică este transformată în energie electrică, deci curentul electric se obtine, ca urmare a unor reacții chimice. O pilă electrochimică este formată dintr-un ansamblu de două semielemente. Un semielement se compune dintr-un conductor electronic(o placuță metalică) împreună cu electrolitul cu care se afla în contact(o solutie de electrolit ce contine sarea metalului respectiv). Tensiunea electromotoare a unei pile reprezintă suma algebrică a potențialelor celor doi electrozi. În cazul pilelor, electrodul negativ se numește anod, iar cel pozitiv catod. 1. Celule reversibile (nepolarizabile) Atunci cand reacția din celula poate fi inversată prin aplicarea la borne a unei tensiuni exterioare egale și de semn contrat celei produse de pilă. Spre exemplu, pila Daniell-Iacobi este construita dintr-o placă de zinc cufundata într-o soluție de ZnSO4 și o placă de cupru cufundat într-o soluție de CuSO4. Deoarece Zn are o tendință mai mare de a se oxida decat Cu, acesta se va oxida trimițând ioni Zn²+ în soluție, electronii rămânând pe placuta metalică și încarcand-o negativ. Prin legarea electrozilor printr-un conductor metalic se realizeaza un circuit exterior, prin care curentul electric trece de la electrodul Zn la cel de Cu, adica de la elctrodul incarcat negativ la electrodul incarcat pozitiv. Ca

4

urmare, la catod, ionii de Cu²+ din solutie se vor reduce si se vor depune pe placuta de cupru. Astfel, in timp ce placa de Zn pierde in greutate, placa de Cu castiga in greutate. Circuitul interior este asigurat de migrarea anionilor de SO4²⁻din solutia de CuSO4 catre solutia de Zn SO4 printr-o diafragma care nu permite amestecarea celor doua solutii, fiind permeabila numai pentru ionii SO4²⁻ In acest element galvanic, procesele chimice care au loc sunt: Anod(-) Zn → Zn2+ + 2e− oxidare Catod(+)Cu2+ → Cu + 2e− reducere O pila electrica se reprezinta scriind intr-un sir: metalul mai active, sarea sa, sarea metalului mai putin active si metalyl mai putin active, suprafetele de separatie metalsolutie se simbolizeaza printr-o linie verticala iar diafragma poroasa care separa semielementele prin doua linii verticale: (-)Zn/ZnSO4//CuSO4/Cu(+) Energia elctrica a pilei va fi furnizata de energia chimica a reactiilor redox care se desfasoara concomitant la cei doi electrozi. Forta electromotoare(E) a unei pile va reprezenta suma algebrica a potentialelor celor doi electrozi. Daca se inverseaza curentul in pila, prin aplicarea la borne a unei tensiuni exterioare si va trece aceeasi cantitate de electricitate in celula de la Cu la Zn va reveni la starea initiala. 2. Celulele ireversibile(polarizabile) In cazul in care curentul de sens invers nu adduce celula la conditiile initiale. Un exemplu il constituie pila Volta reprezentata prin lantul electrochimic: Zn/H2SO4/Cu. Pentru obtinerea unui faraday electricitate la anod va trece in solutie un echivalent de Zn se se va elibera la catod un echivalent de hydrogen conform reactiilor: (-) Zn → Zn² + 2e− (+)2H⁺ + 2e- → 2H(H2) Daca se va trece prin celula aceeasi cantitate de electricitate dar in sesns invers, electrodul de Cu va trece in solutie un echivalent de Cu, iar la electrodul de Zn se va degaja un echivalent de hidrogen: Cu → Cu²⁺+ 2e 2H⁺ + 2e- → H2

5

O pila electrica se poate realize si din doua placute ale aceluiasi metal cufundate in doua solutii ale unei sari a metalului respectiv ce difera intre ele prin concentratie. Se realizeaza astfel o pila de concentratie. Placuta din solutia mai diluata se va incarca negative devenind anod, iar cealalta formeaza catodul. La anod solutia de Cu SO4 fiind mai diluata, va permite trecea Cu in solutie, deci incarcarea placii cu sarcini negative. La catod, procesul este invers, placa se va incarca pozitiv datorita depunerii de Cu din solutia concentrate, cu sonsum de electroni: Anod(-) Cu → Cu²⁺ + 2e− (oxidare) Catod(+)Cu² → Cu + 2e- (reducere) Pila se simbolizeaza astfel: (-) Cu/CuSO4 (c1)//Cu SO4 (c2)/Cu(+) c1