Как называется реакция разных пластин вырабатывается ток
Перейти к содержимому

Как называется реакция разных пластин вырабатывается ток

  • автор:

Страницы не существует!

Ошибка 404 обозначает, что запрошенному вами URL не соответствует никакая страница сайта. Этому могут быть две причины: ссылка неверна или ранее существовавшая страница была удалена. Получив вместо страницы сообщение об ошибке, тщательно проверьте написание адреса — возможно, вы просто ошиблись при наборе. Если вы уверены, что адрес правильный, попробуйте начать поиск информации с верхнего уровня сайта (доменного имени).

По какой причине могла возникнуть ошибка:

— Вы написали http://www.web-stroy.com/штвучюреьд вместо http://www.web-stroy.com/index.html
— Вы написали inex.html, idnex.html вместо index.html

Если Вы попали сюда по ссылке с сайта, просим Вас пришлите нам эту ссылку по адресу info@web-stroy.com!

Как называется реакция разных пластин вырабатывается ток

Питание — это
очень важно.
Я это знаю
совершенно
точно.
Оно должно
быть
разнообразным
сбалансирован-
ным, питатель-
ным, полезным.
И чтоб никаких
этих противных
мышей!!
МЯЯЯУУУ.

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Воплощаю свой замысел, который родился у меня во время написания статьи «Постоянный ток».
Также, как и там, я не нумерую иллюстрации и почти не ссылаюсь на них в тексте, чтобы пытливый читатель (ежели таковой найдётся) сам догадался, какую именно мысль оные картинки визуализируют.
Использую кое-какие сокращения: ЭДС – электродвижущая сила, ХИТ – химические источники тока, ЭП – электрическое поле, АКБ – аккумуляторная батарея, ДВС – двигатель внутреннего сгорания, КПД – коэффициент полезного действия, ТЭ – топливный элемент.

Для общего представления о материале решил поместить в начале ПЛАН:

  1. Элементы истории
    1. «прототип» Луиджи Гальвани
    2. элемент Алессандро Вольта
    3. багдадская батарейка?
    1. элемент Вольта
    2. элемент Лекланше, сухой элемент Лекланше
    1. общая схема
    2. параметры
    1. объяснение №1 посложнее
    2. объяснение №2 попроще
    3. недостатки
    1. водный
    2. сахарный
    3. шустрый литий-ионный
    4. самозаряжающийся
    5. новое слово о железо-никелевом
    6. растущий
    7. самый большой в мире
    1. общее представление
    2. типы
    3. химические процессы
    4. отдельная ячейка
    5. автомобиль на ТЭ
    1. батарейки из фруктов и овощей
    2. Багдадская батарейка
    3. «на десерт»

    1. Элементы истории
    Считается, что «прототип» гальванического элемента создал Луиджи Гальвани (1737-1798) — итальянский врач, анатом, физиолог и физик, один из основателей электрофизиологии и учения об электричестве, основоположник экспериментальной электрофизиологии. Он первым исследовал электрические явления при мышечном сокращении («животное электричество»). Гальвани описал процесс сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закрепленных на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля. Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества». С позиции обозначенной в заголовке темы, главным является то, что именно он обнаружил возникновение разности потенциалов при контакте разных видов металла и электролита.
    Осуществив ряд экспериментов, Гальвани пришел к выводу о существовании нового источника и нового вида электричества. Его привели к такому выводу опыты составления замкнутой цепи из проводящих тел и металлов (лучше всего, по признанию самого учёного, было использовать разные металлы, например железный ключ и серебряную монету) и лягушечного препарата.
    Среди последователей болонского анатома оказался Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Джероламо Умберто Вольта (1745-1827) — итальянский физик, химик и физиолог, один из основоположников учения об электричестве.
    В 1800 году Алессандро Вольта (так коротко мы привыкли его называть со времён школьной физики) 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 доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Так был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент.
    Гальваническим элементом называются источники тока, в которых химическая энергия превращается в электрическую – это общее определение ХИТ.
    В дальнейшем Вольта несколько видоизменил свой элемент, сделав из металлов диски, а между ними поместил прокладку из сукна, смоченного раствором кислоты. Он же обнаружил, что последовательное соединение таких элементов приводит к пропорциональному увеличению электрического напряжения. Вольта собрал батарею элементов в виде вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой. Вольтов столб высотою в полметра развивал напряжение, чувствительное для человека.

    Извещение об открытии было им отправлено 20 марта 1800 года в письме президенту Лондонского Королевского общества Бэнксу. Письмо было доложено 26 июня того же года и произвело сенсацию не только в научном мире. Наполеон пригласил Вольта в Париж, лично присутствовал на демонстрации опыта, осыпал наградами и почестями.
    Благодаря этим первым батареям постоянного тока были немедленно сделаны два выдающихся открытия:

    • 1. Электролиз. В том же 1800 году Никольсон и Карлайл разложили воду на водород и кислород, а Дэви в 1807 году открыл металлический калий.
    • 2. Электрическая дуга. 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 2500 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.

    Небольшое нелирическое (историческое) отступление. При раскопках парфянского поселения, существовавшего в Месопотамии 2200 лет назад, была обнаружен некий артефакт. Он представляет собой глиняный сосуд с пробкой из битума, которая протыкается железными прутами. Внутри банки пруты окружены медным цилиндром. Исходя из строения находки, её первооткрыватель, немецкий археолог Вильгельм Кёниг, предположил, что это древний гальванический элемент, который мог вырабатывать электрическое напряжение около 1 В. Он опубликовал статью об этом открытии в 1940 году. Действительно, с технической точки зрения банка очень схожа с электрохимическим источником постоянного тока наподобие гальванического элемента: разнородные металлы (железо и медь) помещены в керамический горшок из-под виноградного сока, куда наливали какой-то кислотный раствор. По-видимому, это устройство выполняло роль таинственного источника энергии в процессе нанесения гальванических покрытий из золота или серебра на поверхность металлических предметов. Украшения такого рода также были обнаружены археологами, а слои золота и серебра были столь тонки, что никаких других способов, кроме гальванизации, не предполагалось. Также открытым остается вопрос, почему технология изготовления таких батареек была утеряна, и в других регионах ничего подобного обнаружено не было.

    Далеко не все ученые соглашаются, что багдадская банка может называться электрической, и считают, например, что она могла использоваться для хранения папирусов. Вполне возможно, что багдадская банка является случайным результатом чьих-то творческих изысканий…

    2. Принцип действия гальванического элемента
    Рассмотрим, как работает элемент Вольта. В стеклянный сосуд, куда налит раствор серной кислоты, опущен цинковый стержень. Так как на поверхности пластины имеются положительно заряженные ионы цинка, то в растворе кислоты вокруг стержня концентрируются отрицательные ионы кислотного остатка. Силы притяжения ионов раствора отрывают ионы цинка. В результате цинковый стержень приобретает отрицательный потенциал, а раствор – положительный. А разность потенциалов — это напряжение. Таким образом, при контакте металла и кислотного раствора на границе возникает ЭП. В момент его образования и происходит превращение химической энергии в электрическую.
    Элемент Вольта состоит из двух пластин – медной и цинковой, помещенных в слабый раствор серной кислоты. Медная пластина – это ПЛЮС, а цинковая – МИНУС. Следует учитывать, что ЭДС гальванического элемента полностью зависит от материала и от происходящих химических процессов.

    Подсоединив гальванический элемент к нагрузке, мы замкнём цепь – возникнет электрический ток. В процессе работы на медной пластине начинает выделятся водород. Образование пузырьков водорода отрицательно влияет на работу гальванического элемента, т.к. они создают барьер на границе меди и раствора. Это явление в физике называется «поляризация».
    В 1868 французский химик Жорж Лекланше (1839 1882) разработал другой элемент. Его так и назвали в честь создателя – элемент Лекланше. В сосуд с раствором нашатыря, слегка разбавленного водой, помещены два стержня цинковый и графитовый. Последний имеет вокруг себя слой двуокиси марганца, задача которого как раз состоит в поглощении нежелательного водорода.
    В результате эффективность гальванического элемента существенно возрастает. Именно так изготавливают большинство современных батареек. Отличия заключаются лишь в применяемых веществах и материалах, т.к. именно это влияет на специфические параметры и характеристики гальванических элементов. Например, одни расходуют свой заряд постепенно, при этом их ЭДС также будет постепенно уменьшаться. Другие, наоборот, более равномерно отдают свою энергию и лишь в самый последний момент резко теряют заряд.

    Ещё одна разновидность гальванических элементов – так называемые «сухие» марганец-цинковые элементы Лекланше. Вместо жидкого электролита в таком элементе используется гелеобразная паста из нашатыря и крахмала. Чтобы влага испарялась как можно меньше, верх такого элемента заливается воском или смолой с небольшим отверстием для выхода газов. Обычно элементы Лекланше изготавливаются в цилиндрических стаканчиках, которые одновременно служат и отрицательным электродом и сосудом.
    Начальное напряжение элемента составляло 1,4-1,6 В, конечное — 0,7-0,9 В. Уже через 2 года после изобретения свыше 20 тыс. элементов Лекланше использовалось в телеграфии.
    Соединять гальванические элементы можно последовательно (рис. а). При этом пропорционально взрастает общее напряжение, но и внутреннее сопротивление – тоже. При параллельном соединении (рис. б) пропорционально возрастает ток, который батарея может отдавать в нагрузку, а внутренне сопротивление, соответственно, становится меньше.
    Во всех батарейках элементы соединяются последовательно. Параллельное соединение используется значительно реже.
    В любом гальваническом элементе перераспределение электрических зарядов происходит за счёт химических реакций. Эти реакции необратимы, и, когда они завершаются, элемент полностью приходит в негодность.

    3. Классификация химических источников тока (ХИТ)
    Все ХИТ (гальванические элементы и батареи из них) делятся на две группы – первичные (одноразовые или необратимые) и вторичные (многоразовые или обратимые). В первичных источниках тока (в просторечии – батарейках) химические процессы, как было сказано ранее, протекают необратимо, поэтому их заряд нельзя восстановить. К вторичным химическим источникам тока относят аккумуляторы, их заряд можно восстановить. Для широко распространённых аккумуляторов цикл заряд-разряд можно повторять около 1000 раз. Особое место среди ХИТ занимают топливные элементы.

    ХИТ имеют различное напряжение и ёмкость. К примеру, обычные щелочные батарейки имеют номинальное напряжение около 1,5 В, а более современные литиевые – около 3 В. Хочу напомнить (см. мою статью «Постоянный ток»), что на корпусах элементов и батареек указывается значение ЭДС.
    Для характеристики ёмкости аккумуляторов используется внесистемная единица электрического заряда 1 А×ч (Ампер-час). Заряженный аккумулятор с заявленной ёмкостью в 1 А·ч теоретически способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа (или, например, 10 А в течение 0,1 часа, или 0,1 А в течение 10 часов). На самом деле слишком большой ток разряда аккумулятора приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии, что нелинейно уменьшает время его работы с таким током и может приводить к перегреву.
    На практике же ёмкость аккумуляторов приводят исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения. Для автомобильных аккумуляторов оно составляет 10,8 В. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 А на протяжении 20 час, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,8 В.
    Часто также применяется производная единица миллиампер-час (мА·ч), которая используется обычно для обозначения ёмкости небольших аккумуляторов.
    Величину в ампер-часах можно перевести в системную единицу измерения заряда — кулон (см. мою статью «Постоянный ток»). Поскольку 1 Кл/c равен 1 А, то, переведя часы в секунды, получаем, что 1 А·ч =3600 Кл.
    Электрическая ёмкость зависит от множества факторов: количества элементов в батарее, уровня зарядки, температуры окружающей среды, тока отсечки (при котором устройство не работает даже при имеющемся заряде). Например, батарейка, которая уже не работает в фотоаппарате, зачастую продолжает работать в часах или пультах управления.
    Благодаря техническому прогрессу увеличилось разнообразие миниатюрных устройств, работающих от батареек. Для многих из них потребовались более мощные элементы питания, при этом достаточно компактные. Литиевые батарейки стали ответом на такую потребность: долгий срок хранения, высокая надёжность и отличная работоспособность в широком диапазоне температур. На сегодняшний день самыми передовыми являются литий-ионные источники тока. Потенциал данной технологии ещё не раскрыт полностью, но ближайшие перспективы связаны с ними.

    4. Аккумулятор
    В 1859г Гастон Плантэ (1834-1889), французский ученый, разработал свинцово-кислотную перезаряжаемую батарею (аккумулятор). Первый аккумулятор содержал два скрученных в рулон листовых проводника, разделенных резиновыми лентами и погруженных в 10% раствор серной кислоты. Годом позже Плантэ представил батарею, состоящую из девяти подобных элементов, соединенных параллельно и помещенных в единый корпус. Батарея обеспечивала по тем временам весьма большой ток. Он также предложил метод формовки пластин для повышения ёмкости аккумуляторной батареи. После зарядки аккумулятор разряжался и снова заряжался током обратной полярности. Процесс повторялся несколько раз и занимал по времени около 3-х месяцев. В настоящее время усовершенствованный аккумулятор Плантэ используется в автомобилях.

    Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.
    При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца (в классическом варианте аккумулятора). Вообще говоря, электрохимические процессы в аккумуляторе сложны. Проведенные в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум 60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита (нехимические реакции).
    Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на аноде (+) и окисление свинца на катоде (-). При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде выделяется кислород, а на катоде — водород.
    Электрохимические реакции (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде):
    реакции на аноде:

    Реакции на катоде:

    При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — происходит так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует, по возможности, избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Потери воды в результате электролиза восполняют доливкой в банки аккумулятора дистиллированной воды.

    Повторение – мать учения, поэтому ещё раз же самое, но чуть иначе и без применения формул.
    Итак, самый простой аккумулятор – это две свинцовые пластины, погруженные в электролит – раствор серной кислоты. При погружении свинцовых пластин в электролит серная кислота вступает в химическую реакцию со свинцом. В результате реакции на поверхности пластин появится налёт сернокислого свинца. Если теперь через эту свинцово-кислотную систему пропустить постоянный ток, то в ней начнётся химическая реакция. У пластины, которая соединена с «+» источника тока, сернокислый свинец станет перекисью свинца. Пластина примет коричневый цвет. Сернокислый свинец у пластины, которая соединена с «-» источника тока, превратится в губчатый свинец. Пластина приобретёт серый цвет.
    В результате этих процессов плотность электролита повысится. Это произойдёт потому, что концентрация серной кислоты повысится, а часть волы поглотится.
    На клеммах системы появится напряжение. Произошёл процесс зарядки аккумулятора, и система накопила некоторый запас энергии. Полностью заряженный и исправный кислотный аккумулятор имеет напряжение между клеммами порядка 2 В.
    Если после зарядки аккумулятора к его полюсам подключить потребитель электроэнергии, во внешней цепи потечёт ток. В самом же аккумуляторе будет происходить химическая реакция, обратная предыдущей, из электролита будет поглощаться серная кислота и выделяться вода. Пластины аккумулятора снова покроются сернокислым свинцом, плотность электролита и напряжение на клеммах уменьшатся. Такой процесс называется разрядом аккумулятора.
    Свинцово-кислотные аккумуляторы являются недорогими источниками постоянного тока из-за сравнительной дешевизны используемых в них материалов, а автоматизация производства ещё больше способствует их удешевлению.
    Недостатки:
    плохо сохраняют заряд;
    имеют довольно большую массу;
    выделяют во внешнюю среду водород;
    их нельзя хранить в разряженном состоянии;
    трудно изготовить такие аккумуляторы маленького размера и это далеко не все «минусы».
    Но, как говорится, тем не менее…

    В заключение хочу отметить, что настоящие свинцово-кислотные аккумуляторы имеют гораздо более сложное устройство, чем аккумулятор Плантэ, да и электрохимические процессы, протекающие в них, многократно сложнее и многообразнее.
    Резюмирую для упрощения:
    При зарядке аккумулятора в нём протекают такие электрохимические реакции, в результате которых аккумулятор накапливает электрическую энергию и на его клеммах возникает разность потенциалов – напряжение. Электрохимические реакции обратимы. При замыкании клемм аккумулятора на какой-либо потребитель во внешней цепи возникает электрический ток – происходит разрядка, электрохимические реакции протекают в обратном порядке. Напряжение на клеммах аккумулятора постепенно уменьшается.

    5. Современные и будущие аккумуляторы
    Американцы решили осуществить второй по масштабам и значимости Манхэттенский проект, а именно за пять лет увеличить емкость современных аккумуляторов в пять раз и во столько же раз сделать их дешевле. Нынешний проект под названием «Battery and Energy Storage Hub» потребует усилий специалистов из пяти лучших университетов США, многих национальных лабораторий, а также частных компаний, работающих в области энергетики. За последнее время в мире накопилось столько новых изобретений в области сохранения энергии, что у американцев есть все реальные шансы решить намеченную задачу. Рассмотрим некоторые из подобных изобретений.

    Водные аккумуляторы
    Оказывается, в аккумуляторной батарее в качестве электролита можно использовать обыкновенную воду. Именно к такой идее пришел четыре года назад сотрудник Стэнфордского университета Колин Уэселлс. Являясь сегодня генеральным директором компании «Alveo Energy», он усиленно работает над продвижением водного аккумулятора на рынок.

    Аккумуляторная батарея Колина Уэселлса использует в качестве электролита воду и специальный синий краситель – берлинскую лазурь. Заметим, что берлинская лазурь используется для окрашивания одежды, в частности джинсов, а также при производстве обычных цветных карандашей. Кроме этого, батарея Alveo Energy состоит из таких компонентов, как медь и железо, она имеет очень низкую стоимость по сравнению с современными аккумуляторами и отличается длительным сроком службы.
    Колин Уэселлс и его компаньон по разработке данного аккумулятора профессор Роберт Хаггинс уже создали прототип новой АКБ и опубликовали данные о ее работе в журнале с месяц назад. Сегодня они трудятся над усовершенствованным образцом водного аккумулятора, который может работать без ухудшения характеристик не менее двух лет. Коммерческий же образец данной батареи, по мнению ученых, должен служить потребителю до десяти лет.
    По сравнению с современными литий-ионными аккумуляторами водная батарея Alveo Energy будет иметь более низкие заряд (в три раза меньший) и напряжение, да и емкость ее меньше в десять раз, поскольку в структуре батареи только шестая часть ионов электрохимически активна. По объему она в несколько раз больше обычного аккумулятора, по этой причине ее вряд ли можно использовать в современном автомобиле.
    Сегодня Колин Уэселлс и Роберт Хаггинс разрабатывают водный аккумулятор весом в пятьдесят килограммов, который должен обладать емкостью в один киловатт-час. Стоимость такого киловатт-часа обойдется потребителю в сто долларов. Для сравнения скажем, что самые дешевые современные свинцово-кислотные аккумуляторы обходятся в сто пятьдесят-двести долларов в расчете на один киловатт-час. А распространенные в автомобилях литий-ионные батареи в два-три раза дороже свинцово-кислотных. Так что перспектива у водных АКБ есть, особенно для производства больших стационарных аккумуляторов.

    Сахарный аккумулятор
    Для производства современных литий-ионных аккумуляторов Японии приходится закупать сырье на стороне, что отрицательно сказывается на торговым балансе страны. Именно по этой причине японские ученые постоянно ищут пути для создания АКБ на основе имеющегося у них сырья. И таким материалом стал… сахар. Сахарный аккумулятор, который недавно был разработан в Японии, по своим характеристикам более надежен и энергоемок, чем традиционно используемые аналоги, к тому же такая АКБ значительно дешевле.

    Огромный спрос на литий, вызванный быстрым распространением в мире портативных аккумуляторов, вызывает озабоченность производителей батарей, поскольку данный материал добывается сегодня в политически нестабильных районах мира, например, в Аргентине, Чили, Боливии и так далее. Это стало второй причиной, по которой Япония начала вести активный поиск альтернативных решений для создания дешевых и надежных АКБ. В этом плане сахароза, по мнению японских ученых, может быть легко трансформирована в эффективный и недорогой материал для производства анода в литий-ионном аккумуляторе.
    После нагрева сахарозы в вакууме и под большим давлением до температуры порядка 1500 градусов по Цельсию она превращается в углеродный порошок, который в натриево-ионных аккумуляторах позволяет повысить заряд до 300 мА×час, что на 20% выше, чем у обычных аналогов, имеющих высокопрочное углеродное соединение.
    Конечно, это только первый шаг в деле разработки более эффективных и дешевых натриево-ионных батарей, тем не менее, японские ученые под руководством профессора Токийского университета Шиничи Комаба считают, что примерно через пять лет их группа сумеет выпустить коммерческую батарею, не уступающую современным аккумуляторам.
    Несмотря на то что такие АКБ будущего сегодня еще не могут составить серьезной конкуренции обычным аккумуляторам по причине своих относительно низких основных показателей, многие исследователи и аналитики предполагают, что сахарные и подобные им батареи уже в течение ближайших пяти — десяти лет серьезно заявят о себе и постепенно начнут вытеснять слишком дорогие и неэффективные нынешние аналоги. Что ж, поживем – увидим.

    Шустрый литий-ионный аккумулятор
    Исследователи из южнокорейского Национального института науки и технологии Ульсана (UNIST) заявили, что ими разработан литий-ионный аккумулятор будущего, который может заряжаться в сто с лишним раз быстрее обычного, то есть буквально за несколько минут.

    Хотя для производства катода новой АКБ используется стандартный материал (литий-оксид марганца), сам катод при этом помещается в специальный раствор с графитом, который образует на нем целую сеть проводящих каналов. Данная сеть графита позволяет всем без исключения элементам аккумулятора участвовать в подзарядке, что и ускоряет ее в сотню раз.
    В обычных батареях все частицы заряжаются по очереди, согласно своему пространственному расположению, то есть сначала задействуются элементы возле электрона, затем – расположенные далее. АКБ исследователей UNIST объединяют катод с графитом и электролитом, благодаря чему аккумулятор становится быстрозаряжаемым.
    Разработка ученых из Южной Кореи получила высокую оценку их коллег во всем мире, поскольку позволяет решить проблему подзарядки батарей на электрокарах, что может способствовать повышению популярности электроавтомобилей и привести к более широкому использованию их в ближайшем будущем, а это должно положительно сказаться на экологии планеты. Напомним, что подзарядить современный электрокар можно лишь за несколько часов; если этот процесс ускорить в сто с лишним раз, проблема заправки таких авто будет практически решена.
    Конечно, останется еще одна трудно решаемая задача: современные аккумуляторы, которые используются в электромобилях, слишком дороги. По мнению аналитиков, владельцы таких средств передвижения могли бы согласиться даже с длительностью зарядки батарей, если бы те вдруг стали дешевыми. Поэтому главная задача современных ученых — создать не столько быстрозаряжающиеся АКБ, сколько дешевые и долговечные, например, работающие без снижения своих показателей десять и более лет.
    Тем не менее, достижения южнокорейских ученых нельзя недооценивать, поскольку быстро заряжать батареи – это очень удобно и экономично.

    Самозаряжающийся аккумулятор
    Необычный самозаряжающийся литий-ионный аккумулятор создали ученые из Технологического института Джорджии. Всего одно принципиальное изменение в химическом составе позволяет новой АКБ самозаряжаться при сгибании либо сжатии.
    Исследователи всего лишь заменили обычный в таких аккумуляторах пластиковый барьер-электролит, накапливающий электричество, на слой пьезоэлектрических нанотрубок, который способен преобразовывать механическую силу в нужную электроэнергию. Таким образом, получился гибридный аккумулятор, который является также преобразователем энергии.
    Кстати, подобные преобразователи энергии предусматривают наличие того или иного электрогенератора, например, солнечной батареи, ветряка и так далее. Кроме того, все эти установки в идеале должны иметь еще ёмкости для хранения вырабатываемой электроэнергии. В большинстве случаев в качестве них выступают как раз литий-ионные аккумуляторы, которые преобразуют вырабатываемое ветряками либо солнечными батареями электричество в химическую энергию, пригодную для длительного хранения.

    Новый аккумулятор ученых из Технологического института Джорджии практически устраняет в этой цепочке процесс выработки электроэнергии, сразу же преобразуя механическую силу воздействия в химическую энергию.
    Как утверждают создатели уникальной АКБ, она не нуждается в источнике тока для подзарядки своей аккумуляторной части. По этой причине такая батарея может найти широкое применение в портативной технике, где не требуется огромного напряжения, зато механических воздействий на аккумулятор может быть более чем достаточно. Именно такую небольшую АКБ величиной с монету и создали американские исследователи. Заменив полиэтилен, разъединяющий два электрода, пленкой PVDF (поливинилиденфторид), которая выступает как пьезоэлектрический генератор, ученые тем самым создали небольшой самозаряжающийся аккумулятор. При сжатии генератор PVDF создает напряжение и тем самым подзаряжает батарейку.
    В целях тестирования новая АКБ была установлена в пяточную область кроссовки. Как оказалось, давления, возникающего при ходьбе, вполне достаточно, чтобы аккумулятор постоянно подзаряжался за счет сжатия.

    Об аккумуляторе-спрее
    Американские ученые из Католического университета Лувена и Университета Райса научились создавать аккумуляторы путем нанесения на ту или иную поверхность (с помощью распыления) специального спрея. Такая краска представляет собой слои жидких металлов (литий-оксид кобальта – катод, гелевый электролит — разделитель, литиевая окись титана — анод, медь – токосъемник), именно они способны накапливать и хранить энергию.

    При этом спрей можно нанести, например, на стекло, керамическую плитку, гибкую пленку, стальную пластину и даже на керамическую посуду, скажем, кофейную чашку. На всех этих столь разных поверхностях уникальная батарея сохраняет одинаковую работоспособность. В одном из экспериментов ученые даже подключили необычную АКБ к солнечному генератору, а затем заставили на ней работать светодиодный дисплей – эксперимент удался на славу! Теперь главное – «вынести» уникальный аккумулятор из лаборатории, то есть коммерциализировать его, что будет очень кстати для соединения АКБ с новыми тонкопленочными солнечными батареями с целью интеграции их в фасады и окна современных зданий.

    Новое слово в железо-никелевом аккумуляторе
    А вот исследователи из Стэнфордского университета сумели вдохнуть новую жизнь в старый железо-никелевый аккумулятор, который давно уже не используется.

    К слову, разработана такая батарея была еще в конце девятнадцатого столетия Томасом Эдисоном, и предназначалась она для первых автомобилей, появившихся тогда в мире. Со временем такие аккумуляторы совершенствовались, но в середине семидесятых годов прошлого века, с появлением литий-ионных батарей, потребность в старых АКБ пропадает, и на сегодняшний день их выпуск налажен только в отдельных компаниях, которые производят такие аккумуляторы в основном для хранения излишков электроэнергии, получаемой от ветряков и солнечных батарей.
    Заметим, что батарея Эдисона отличается долговечностью, но у нее слишком маленькая скорость разрядки, да и заряжается она чересчур медленно. И вот ученые Стэнфордского университета сумели создать очень шустрый железо-никелевый аккумулятор, который способен заряжаться всего за пару минут, а разряжается в несколько секунд. По скромным подсчетом, новая АКБ превосходит своей скоростью старый аккумулятор почти в тысячу раз.
    Исходя из того что усовершенствованный аккумулятор Эдисона дешевый, а теперь еще и сверхскоростной, можно предположить, что в будущем он найдет широкое применение в автомобильной промышленности, как того и хотел великой ученый.

    Растущий аккумулятор
    Ученые из Environmental Molecular Sciences Lab (EMSL) сумели придумать новый тип анода аккумулятора, состоящий из одиночных наночастиц кремния, которые помещены внутрь углеродной оболочки – наподобие того, как желток находится внутри яйца.

    Если в обычных батареях электроны перемещаются к катоду от анода и, встречая на своем пути электролитную перемычку, инициируют в ней химические реакции, в результате чего и высвобождаются электроны, то в батареях EMSL электроны перемещаются не только через электролит к катоду, но и через углеродные оболочки – к кремнию. А последний способен вместить их во много раз больше, чем графитный электрод. К тому же внутри самой углеродной оболочки достаточно много свободного места, необходимого для роста кремния в размере. Поэтому такой аккумулятор не просто заряжается, но еще и растет в это время.

    Самый большой аккумулятор находится в Китае в провинции Хэбэй. Аккумулятор создан общими усилиями государственной электросетевой корпорации Китая (SGCC) и компании BYD, производителя электротранспорта и источников накопления энергии. Затраченный на создание аккумулятора капитал превысил 500 млн. долларов. Комплекс объявлен властями Китая как крупнейшее в мире устройство для хранения электроэнергии.

    Самая мощная в мире аккумуляторная батарея способна сохранять до 36 мегаватт часов электроэнергии, каждый из ее отсеков имеет размеры футбольного поля. Запаса электричества в ней хватит, чтобы обеспечить в течение часа 12 000 домов при полном отключении электросети. Кроме решения первостепенной задачи, важной для обеих компаний – создания сверхмощного аккумулятора, его авторы получили мировую известность.
    Питание аккумулятора осуществляется от ветровых и солнечных батарей общей мощностью 140 МВт, что дает возможность увеличить эффективное использование альтернативных видов энергии на 10%. Недостатком таких источников питания является нестабильность потока электрической энергии от электростанций к аккумулятору, которая выражается в частых провалах и пиках потребления. Чтобы нивелировать нестабильность потока, применяют дополнительные энергетические установки.
    Комплекс стал одним из элементов энергетической системы, которая включает гелиостанции и ветрогенерирующие станции, а также интеллектуальную систему управления. Активное включение альтернативных источников энергии в единую государственную электросеть позволило снизить стоимость 1 кВт часа энергии. Система послужит платформой для развития будущих проектов. Строительство самого большого аккумулятора в мире стало вызовом для энергетиков всего мира, которые ограничиваются в основном разговорами о необходимости использования устройств хранения энергии.

    6. Топливные элементы
    Топливный элемент — это электрохимическое устройство преобразования энергии, которое за счет химической реакции преобразовывает водород и кислород в электричество. В результате этого процесса образуется вода и выделяется большое количество тепла. В одной из статей в интернете я нашёл такую фразу: «Топливный элемент очень похож на аккумулятор, который можно зарядить и затем использовать накопленную электрическую энергию». Смею вас заверить, что это абсолютная чушь! Топливный элемент НЕ МОЖЕТ накапливать энергию, как аккумулятор, его нельзя зарядить! Топливный элемент обеспечивает прямое преобразование химической энергии в электрическую. Почти то же самое происходит в электрических аккумуляторах, но топливные элементы имеют два важных отличия:
    1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают
    из внешнего источника;
    2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется,
    т.е. топливный элемент ненуждается в перезарядке.
    Изобретателем топливного элемента считают Вильяма Р. Грува (1811-1896), который изобрел его еще в 1839 г. В этом топливном элементе в качестве электролита использовался раствор серной кислоты, а в качестве топлива — водород, который соединялся с кислородом в среде окислителя. Следует отметить, что до недавнего времени топливные элементы использовались только в лабораториях и на космических аппаратах.
    В перспективе топливные элементы смогут составить конкуренцию многим другим системам для преобразования энергии, включая газовую турбину на электростанциях, ДВС в автомобиле и электрическим батарейкам в портативных устройствах. ДВС сжигают топливо и используют давление, созданное расширением выделяющихся при сгорании газов, для выполнения механической работы. Аккумуляторные батареи хранят электрическую энергию, преобразовывая ее затем в химическую энергию, которая при необходимости может быть преобразована обратно в электрическую энергию. Потенциально топливные элементы очень эффективны. Еще в 1824 г. французский ученый Сади Карно (1796-1832) доказал, что циклы сжатия-расширения двигателя внутреннего сгорания не могут обеспечить КПД преобразования тепловой энергии (являющейся химической энергией сгорающего топлива) в механическую выше 50%. Топливный элемент не имеет движущихся частей (по крайней мере, внутри самого элемента), и поэтому они не подчиняются закону Карно. Естественно, они будут иметь больший, чем 50%, КПД и особенно эффективны при малых нагрузках. Таким образом, автомобили с топливными элементами готовы стать (и уже доказали это) более экономичными, чем обычные автомобили в реальных условиях движения.
    Топливный элемент обеспечивает выработку электрического тока постоянного напряжения, который может использоваться для привода в действие электродвигателя, приборов системы освещения и других электросистем в автомобиле.

    Имеются несколько типов топливных элементов, различающихся используемыми химическими процессами. Топливные элементы обычно классифицируются по типу используемого в них электролита, который они используют. Некоторые типы топливных элементов являются перспективными для применения их в качестве силовых установок электростанций, а другие могут быть полезны для маленьких портативных устройств или для привода автомобилей.
    Щелочной топливный элемент — это один из самых первых разработанных элементов. Они использовались в космической программе США, начиная с 1960-х гг. Такие топливные элементы очень восприимчивы к загрязнению и поэтому они требуют очень чистого водорода и кислорода. Кроме того, они очень дороги, и поэтому этот тип топливного элемента, скорее всего, не найдет широкого применения на автомобилях.
    Топливные элементы на основе фосфорной кислоты могут найти применение в стационарных установках невысокой мощности. Они работают при довольно высокой температуре и поэтому требуют длительного времени для своего прогрева, что также делает их неэффективными для использования в автомобилях.
    Твердоокисные топливные элементы лучше подходят для крупных стационарных генераторов электроэнергии, которые могли бы обеспечивать электричеством заводы или населенные пункты. Этот тип топливного элемента работает при очень высоких температурах (около 1000 °C). Высокая рабочая температура создает определенные проблемы, но, с другой стороны, имеется преимущество — пар, произведенный топливным элементом, может быть направлен в турбины, чтобы выработать большее количество электричества. В целом это улучшает суммарную эффективность системы.
    Одна из наиболее многообещающих систем — протонно-обменный мембранный топливный элемент — ПОМТЭ (PEMFC — Protone Exchange Membrane Fuel Cell). В настоящий момент этот тип топливного элемента является наиболее перспективным, поскольку он может приводить в движение автомобили, автобусы и другие транспортные средства.

    Химические процессы в топливном элементе

    В топливных элементах применяется электрохимический процесс соединения водорода с кислородом, получаемым из воздуха. Как и в аккумуляторных батареях, в топливных элементах используются электроды (твердые электрические проводники) находящиеся в электролите (электрически проводимая среда). Когда в контакт с отрицательным электродом (анодом) входят молекулы водорода, последние разделяются на протоны и электроны. Протоны проходят через протонно-обменную мембрану (ПОМ) на положительный электрод (катод) топливного элемента, производя электричество. Происходит химическое соединение молекул водорода и кислорода с образованием воды, как побочного продукта этой реакции. Единственный вид выбросов от топливного элемента — водяной пар.

    Электричество, произведенное топливными элементами, может использоваться в электрической трансмиссии автомобиля (состоит из преобразователя электроэнергии и асинхронного двигателя переменного тока) для получения механической энергии для привода в движение автомобиля. Работа преобразователя электроэнергии заключается в преобразовании постоянного электрического тока, произведенного топливными элементами, в переменный ток, на котором работает тяговый электродвигатель транспортного средства.
    Схема устройства топливного элемента с протонно-обменной мембраной:

    1 — анод;
    2 — протонно-обменная мембрана (РЕМ);
    3 — катализатор (красный);
    4 — катод

    Протонно-обменная мембрана топливного элемента (PEMFC) использует одну из самых простых реакций любого топливного элемента.

    Отдельная ячейка топливного элемента

    Рассмотрим, как устроен топливный элемент. Анод, отрицательный полюс топливной ячейки, проводит электроны, которые освобождены от водородных молекул, чтобы они могли использоваться во внешнем электрическом контуре (цепи). Для этого в нем гравируются каналы, распределяющие водород равномерно по всей поверхности катализатора. Катод (положительный полюс топливной ячейки) имеет гравированные каналы, которые распределяют кислород по поверхности катализатора. Он также проводит электроны назад от внешнего контура (цепи) до катализатора, где они могут соединиться с водородными ионами и кислородом с образованием воды. Электролит — протоннообменная мембрана. Это особый материал, похожий на обычный пластик, но обладающий способностью пропускать положительно заряженные ионы и блокировать проход электронов.
    Катализатор — специальный материал, который облегчает реакцию между кислородом и водородом. Катализатор обычно изготавливается из платинового порошка, нанесенного очень тонким слоем на углеродистую бумагу или ткань. Катализатор должен быть шероховатым и пористым, для того чтобы его поверхность могла максимально соприкасаться с водородом и кислородом. Покрытая платиной сторона катализатора находится перед протонно-обменной мембраной (ПОМ).
    Газообразный водород (Н2) подается в топливный элемент под давлением со стороны анода. Когда молекула H2 входит в контакт с платиной на катализаторе, она разделяется на две части, два иона (H+) и два электрона (e–). Электроны проводятся через анод, где они проходят через внешний контур (цепь), выполняя полезную работу (например, приводя в действие электродвигатель) и возвращаются со стороны катода топливного элемента.
    Тем временем со стороны катода топливного элемента газообразный кислород (O2) продавливается через катализатор, где он формирует два атома кислорода. Каждый из этих атомов имеет сильный отрицательный заряд, который обеспечивает притяжение двух ионов H+ через мембрану, где они объединяются с атомом кислорода и двумя электронами из внешнего контура (цепи) с образованием молекулы воды (H2O).
    Эта реакция в отдельном топливном элементе производит мощность приблизительно 0,7 Вт. Чтобы поднять мощность до требуемого уровня, необходимо объединить много отдельных топливных элементов, чтобы сформировать батарею топливных элементов.
    Топливные элементы на основе ПОМ работают при относительно низкой температуре (около 80 °С), а это означает, что они могут быть быстро нагреты до рабочей температуры и не требуют дорогих систем охлаждения. Постоянное совершенствование технологий и материалов, используемых в этих элементах, позволили приблизить их мощность к уровню, когда батарея таких топливных элементов, занимающая небольшую часть багажника автомобиля, может обеспечить энергию, необходимую для привода автомобиля.
    На протяжении последних лет большинство из ведущих мировых производителей автомобилей инвестируют большие средства в разработку конструкций автомобилей, использующих топливные элементы. Многие уже продемонстрировали автомобили на топливных элементах с удовлетворительными мощностными и динамическими характеристиками, хотя они имели довольно высокую стоимость.
    Совершенствование конструкций таких автомобилей происходит очень интенсивно.

    Автомобиль на топливных элементах, использует силовую установку, расположенную под полом автомобиля

    Автомобиль NECAR V изготовлен на базе автомобиля Mercedes-Benz А-класса, причем вся силовая установка вместе с топливными элементами расположена под полом автомобиля. Такое конструктивное решение дает возможность разместить в салоне автомобиля четырех пассажиров и багаж. Здесь в качестве топлива для автомобиля используется не водород, а метанол. Метанол с помощью реформера (устройства, перерабатывающего метанол в водород), преобразуется в водород, необходимый для питания топливного элемента. Использование реформера на борту автомобиля дает возможность использовать в качестве топлива практически любые углеводороды, что позволяет заправлять автомобиль на топливных элементах, используя имеющуюся сеть заправок. Теоретически топливные элементы не производят ничего, кроме электричества и воды. Преобразование топлива (бензина или метанола) в водород, необходимый для топливного элемента, несколько снижает экологическую привлекательность такого автомобиля.
    Компания Honda, которая занимается топливными элементами с 1989 г., изготовила в 2003 г. небольшую партию автомобилей Honda FCX-V4 с протонно-обменными топливными элементами мембранного типа фирмы Ballard. Эти топливные элементы вырабатывают 78 кВт электрической мощности, а для привода ведущих колес используются тяговые электродвигатели мощностью 60 кВт и с крутящим моментом 272 Н•м. Автомобиль на топливных элементах, по сравнению с автомобилем традиционной схемы, имеет массу примерно на 40 % меньшую, что обеспечивает ему отличную динамику, а запас сжатого водорода дает возможность пробега до 355 км.
    Автомобиль Honda FСX использует для движения электрическую энергию, получаемую с помощью топливных элементов

    Автомобиль Honda FCX — первый в мире автомобиль на топливных элементах, который прошел государственную сертификацию в США. Автомобиль сертифицирован по нормам ZEV — Zero Emission Vehicle (автомобиль с нулевым загрязнением). Компания Honda не собирается пока продавать эти автомобили, а передает порядка 30 автомобилей в лизинг в шт. Калифорния и г. Токио, где уже существует инфраструктура водородных заправок.

    Концептуальный автомобиль Hy Wire компании General Motors имеет силовую установку на топливных элементах

    Большие исследования по разработке и созданию автомобилей на топливных элементах проводит компания General Motors.

    Шасси автомобиля Hy Wire

    При создании концептуального автомобиля GM Hy Wire было получено 26 патентов. Основу автомобиля составляет функциональная платформа толщиной 150 мм. Внутри платформы располагаются баллоны для водорода, силовая установка на топливных элементах и системы управления автомобиля, использующие новейшие технологии электронного управления по проводам. Шасси автомобиля Hy Wire представляет собой платформу небольшой толщины, в которой заключены все основные элементы конструкции автомобиля: баллоны для водорода, топливные элементы, аккумуляторы, электродвигатели и системы управления. Такой подход к конструкции дает возможность в процессе эксплуатации менять кузовы автомобиля Компания также проводит испытания опытных автомобилей Opel на топливных элементах и проектирует завод по производству топливных элементов.

    Конструкция «безопасного» топливного бака для сжиженного водорода:
    1 — заправочное устройство;
    2 — наружный бак;
    3 — опоры;
    4 — датчик уровня;
    5 — внутренний бак;
    6 — заправочная линия;
    7 — изоляция и вакуум;
    8 — нагреватель;
    9 — крепежная коробка

    Проблеме использования водорода в качестве топлива для автомобилей уделяет много внимания компания BMW. Совместно с фирмой Magna Steyer, известной своими работами по использованию сжиженного водорода в космических исследованиях, BMW разработала топливный бак для сжиженного водорода, который может использоваться на автомобилях.

    Первый в мире серийный автомобиль с топливным элементом вместо аккумуляторной батареи

    В 2003 г. фирма BMW объявила о выпуске первого серийного автомобиля с топливным элементом BMW 750 hL. Батарея топливных элементов используется вместо традиционного аккумулятора. Этот автомобиль имеет 12-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, а топливный элемент служит альтернативой обычному аккумулятору, обеспечивая возможность работы кондиционера и других потребителей электроэнергии при длительных стоянках автомобиля с неработающим двигателем.

    Заправка водородом производится роботом, водитель не участвует в этом процессе

    Эта же фирма BMW разработала также роботизированные заправочные колонки, которые обеспечивают быструю и безопасную заправку автомобилей сжиженным водородом.
    Появление в последние годы большого количества разработок, направленных на создание автомобилей, использующих альтернативные виды топлива и альтернативные силовые установки, свидетельствует о том, что двигатели внутреннего сгорания, которые доминировали на автомобилях в течение прошедшего столетия, в конце концов уступят дорогу более чистым экологически, эффективным и бесшумным конструкциям. Их широкое распространение на данный момент сдерживается не техническими, а, скорее, экономическими и социальными проблемами. Для их широкого применения необходимо создать определенную инфраструктуру по развитию производства альтернативных видов топлива, созданию и распространению новых заправочных станций и по преодолению ряда психологических барьеров. Использование водорода в качестве автомобильного топлива потребует решения вопросов хранения, доставки и распределения, с принятием серьезных мер безопасности.
    Теоретически водород доступен в неограниченном количестве, но его производство является весьма энергоемким. Кроме того, для перевода автомобилей на работу на водородном топливе необходимо произвести два больших изменения системы питания: сначала перевести ее работу с бензина на метанол, а затем, в течение некоторого времени и на водород. Пройдет еще некоторое время, перед тем как этот вопрос будет решен.

    7. ЭКСПЕРИМЕНТ!
    Как известно, самостоятельно можно изготовить что угодно. Необходимо желание, умение, материалы, инструменты, время, место и т.п. Принцип действия гальванических элементов настолько прост и очевиден, что сделать их своими руками, буквально, не составляет никакого труда. А вот фантазия необходима. В интернете тому масса примеров. Приведу некоторые из них.

    Батарейки из фруктов и овощей
    Для изготовления надо иметь: фрукты и/или овощи, сок которых представляет собой электролит, т.к. содержит растворы солей и органических кислот; кусочки различных металлов или металлические предметы, которые можно воткнуть в овощ или фрукт; мультиметр с проводочками, чтобы оценить величину развиваемой источником ЭДС.
    Втыкаем в лимон или апельсин два электрода из разных металлов (оцинкованный гвоздик и кусок медной проволоки, например), подключаем мультиметр и оцениваем результат, который может быть от 0,4 до 1,5 В в зависимости от используемых металлов.
    Можно использовать грейпфрут, яблоко, картофель и другие.


    В случае использования цитрусовых эксперимент будет выглядеть весьма эффектно, если плод разрезать поперёк и вставить в него электроды.

    Из нескольких «фруктовых» элементов можно составить батарейку.

    Багдадская (Парфянская) батарейка

    И «на десерт» ретро-рецепт из 60-х ХХ века.

    Простейший гальванический элемент     (разновидность элемента Вольта) состоит из стальной и медной пластин, разделенных слоем промокательной бумаги (15х40 мм), пропитанной обыкновенной водопроводной водой или просто слюной (рис. а). Если эле­мент не будет работать, бумагу надо намочить в растворе поваренной соли (полчайной ложки на стакан воды). Такой «водяной» источник питания, приводящий в действие какое-либо устройство (радио­приемник, зуммер и т.п.) удивляет непосвященных наблюдателей. Больший эффект дает применение медных, цинковых или оловянных пластин. Такой элемент состоит из деревянной или пласт­массовой бельевой прищепки, медной, серебряной или никелевой монеты и прокладки из влажной газетной бумаги (рис. б). ЭДС элемента будет около 0,1 В и их можно соединить в батарею. Достаточно ввести два проводника — железный и медный (рис. в) в лимон, яблоко или в соленый огурец (а еще лучше – в пиво), чтобы получить источник тока с ЭДС 0,1 В. Соединив несколько таких элементов, будем иметь батарею, пригодную для питания простейшего радиоприемника.
    Энергию для радиоприемника можно черпать не только из антенны (см. мою статью «Простейший радиоприёмник»), но и из земли. Это неплохой метод питания радиоустройств на экскурсиях, в палатках, кемпинге и т.п. Если такой элемент поместить глубоко в землю (глубже слоя промерзания, в среднем на глубину 1 м.),то им можно будет пользоваться непрерывно в течение года.
    Конструкция «земляного» элемента показана на рисунке. Качество его работы зависит от вида почвы, её влажности, а также от размеров и материала электродов, более пригодна влажная жирная почва. Чем больше поверхность электродов, тем меньше внутреннее сопротивление источника тока. Вид материала электродов мало влияет на величину электродвижущей силы источника, которая обычно меняется в пределах 0,8. 1,1 В.
    Наилучшие результаты дают следующие гальванические пары: цинк— уголь, алюминии — медь, цинк — медь. Если к элементу подключить какую-либо нагрузку, то его напряжение будет постепенно уменьшаться пока не стабилизируется по истечении 15…30 мин. Если имеются типовые цинковые пластин (170 х 210 мм) и угольные электроды от больших телефонных батарей (можно также использовать угольные стержни от 1,5-вольтовых элементов),то расстояние между электродами может быть 0,3…0,5м.

    Отводы от положительных электродов выполняются изолированным проводом. Соединение с электродами выполняется сваркой или пайкой. Наивысший КПД такого элемента достигается при токе нагрузки 1…2 мA.
    На рисунке ниже изображена схема детекторного приемника с питанием от земляного элемента, который состоит из двух круглых стержней — стального (2,5 X 400 мм) и медного (4X400 мм), разнесенных на расстояние 50 мм. Такой элемент работал в режимах 0,5 В/0,25 мА при сухой почве и 0,75 В/0,9 мА — при влажной.
    Для удовлетворительной работы простого приемника, питаемого «земляным» элементом, необходимо сделать наружную антенну длиной не менее 4 м и подвесить ее на высоте не ниже 5 м от земли (чем выше, тем лучше). Если после нескольких месяцев работы напряжение элемента под нагрузкой уменьшится, следует увеличить площадь электродов.

    В завершение хочу отметить, что за время моей жизни количество, качество, многообразие, возможности применения ХИТов претерпели весьма сильные изменения. Я помню те времена, когда трудно было разыскать элементы и батарейки . Потом появились .
    Моя первая электрифицированная игрушка примерно 1966-67 года – гусеничный вездеход без ПДУ, с переключателем «верёд – стоп – назад» стоимостью 5р.50к. По тем временам цена совсем не маленькая! Так вот мне приходилось по 2-3 месяца ждать, пока из Москвы родственники привезут батарейки «КБС-Л-0,50», а для машинки их требовалось сразу две. Хотя цена батарейки составляла 17 к., найти их в провинции было, практически, нереально. Это факт.
    Я не нашёл в Интернете фото той моей игрушки, а вот её реальный прототип:

    © SEkorp /моя версия темы, 30 апреля 2016/

    НАЗАД на страницу РАДИОпитание

    8. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

    Во многих химических реакциях происходит перемещение электронов от одних частиц к другим. Такие реакции называют окислительно-восстановительными (ОВР) .

    Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления .

    Число электронов, смещенных от атома данного элемента или к атому данного элемента, называют степенью окисления (С.О.).

    Поэтому все реакции, наблюдаемые в природе, делят на 2 группы:

    а) протекающие без изменения С.О. : (реакции обмена, нейтрализации)

    б) протекающие с изменением С.О .. Такие реакции называют окислительно-восстановительными.

    Мысленно её можно разделить на две полуреакции :

    Процесс отдачи электронов: 2 Na 0 — 2 e ‾ = 2 Na + — называется окислением

    Процесс принятия электронов: Cl 2 + 2 e ‾ = 2 Cl ‾ — называется восстановлением .

    Частицы, отдающие электроны, называются восстановители , они окисляются. Частицы, принимающие электроны, называются окислителями , они восстанавливаются. В химических окислительно-восстановительных реакциях окисление и восстановление взаимосвязаны.

    Степень окисления можно рассматривать как условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что соединение состоит из ионов. Степень окисления может быть положительная, отрицательная и нулевая.

    Определение степени окисления проводят, используя следующие правила:

    1. Степень окисления кислорода в соединениях равна ( -2 ). Исключение составляют: пероксиды — фторид кислорода .

    2. Степень окисления водорода в соединениях равна (+1), кроме гидридов металлов — LiH , CaH 2 и т.п., где степень окисления равна ( -1 ).

    3. Степень окисления атомов в простых веществах, например, в металле или в Н2 , О2 равна 0.

    4. Степень окисления щелочных металлов в соединениях равна ( +1 ).

    5. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав нейтральной молекулы равна 0, в сложном ионе – заряду иона.

    (+1) + x + 4(-2) = 0 х = +7

    (+1) + x + 3(-2) = 0 x = +5

    2 x + 3(-2) = (-2) х = +2

    В зависимости от С.О. атомы могут проявлять различные функции в ОВР . По этому признаку их можно разделить на три группы:

    1. Только восстановительные свойства могут проявлять металлы в свободном состоянии, а также атомы в низких С.О. : Cl ‾; Br ‾; I ‾; S ‾ 2 ; N ‾ 3 . Низшая отрицательная степень окисления для неметаллов равна номеру группы минус 8 .

    2. Только окислительные свойства проявляют атомы с высшей степенью окисления. Она равна номеру группы: .

    3. Окислительно-восстановительную двойственность проявляют атомы, имеющие промежуточную степень окисления.

    Пример: атом серы S 0 может принимать два электрона и превращаться в ион S ‾ 2 , а также может отдать шесть электронов, приобретая заряд S +6 . Т.е. в О.В.Р. сера может проявлять свойства окислителя и восстановителя.

    Уравнения О.В.Р . имеют очень сложный характер, и их составление представляет иногда трудную задачу. Рассмотрим метод электронного баланса, при котором учитывается:

    • общее число электронов отдаваемых всеми восстановителями равно общему числу электронов, присоединяемых всеми окислителями;
    • одинаковое число одноименных ионов в левой и правой частях уравнения;
    • число молекул воды (в кислой среде) или ионов гидроксида (в щелочной среде), если в реакции участвуют атомы кислорода.

    Составление уравнений О.В.Р. легче провести в несколько стадий:

    1) установление формул исходных веществ и продуктов реакции;

    2. определение степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах реакции;

    1) определение числа электронов отдаваемых восстановителем и принимаемых окислителем и коэффициентов при восстановителях и окислителях;

    2) определение коэффициентов при всех исходных веществах и продуктах реакции, исходя из баланса атомов в левой и правой частях уравнения.

    Составим уравнение реакции окисления сульфата железа ( II ) перманганатом калия в кислой среде. Так как реакция протекает в кислой среде, то в левой части уравнения кроме окислителя и восстановителя должна быть кислота. Продуктами реакции являются сульфаты марганца ( II ), калия, железа ( III ) и вода.

    1. Запишем схему реакции без коэффициентов

    2. Определим степени окисления элементов, исходя из вышеприведенных правил

    Как видно, С.О . меняется только у марганца и железа, у первого она понижается (восстановление), у второго – повышается (окисление).

    3. Определим число электронов, отдаваемых восстановителем FeSO 4 и принимаемых окислителем KMnO 4 :

    Как видно, Mn 7+ принимает пять, а два иона Fe 2+ отдают два электрона. Кратное число отдаваемых и принимаемых электронов равно 10 . Отсюда легко найти коэффициенты перед окислителем и восстановителем в уравнении реакции

    4. Подведем баланс всех атомов в левой и правой частях уравнения и определим коэффициенты при всех веществах. В левой части уравнения имеются два атома калия, поэтому для баланса по калию следует записать в правую часть уравнения молекулу сульфата калия. Для уравнивания групп в левую часть уравнения необходимо записать 8 молекул H 2 SO 4 , а для уравнивания водорода — 8 молекул воды:

    Число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения одинаково, поэтому данное уравнение является законченным.

    1. Межмолекулярные – изменяются С.О. атомов элементов, входящих в состав разных веществ:

    2. Внутримолекулярные – окислитель и восстановитель — атомы одной молекулы:

    3. Самоокисления – самовосстановления ( диспропорционирования ) – один и тот же элемент повышает и понижает С.О.

    Cl 2 — является окислителем и восстановителем.

    О направлении ОВР можно судить по изменению энергии Гиббса ∆ G . Если ∆ G < 0 – реакция возможна, если ∆ G > 0 — невозможна. Из термодинамики известно, что ∆ G = — n · F · E ; E = φ ок-ля — φ в-ля или φ ок-ля > φ в-ля , что возможно при Е > 0 и ∆ G < 0 .

    Она состоит из двух полуреакций :

    Т.к. φ ок-ля > φ в-ля , то возможно самопроизвольное протекание реакции слева направо.

    2 FeCl 3 + 2 KJ → 2 FeCl 2 + J 2 + 2 KCl

    Из всех возможных при данных условиях О.В.Р . в первую очередь протекает та, которая имеет наибольшую разность окислительно – восстановительных потенциалов.

    О.В.Р . протекают в сторону образования более слабых окислителей и восстановителей из более сильных.

    Роль окислительно-восстановительных процессов. О.В.Р . играют важную роль в природе и технике. О.В.Р . – это процессы фотосинтеза у растений, процессы дыхания у животных и человека, процессы горения топлива. Иногда О.В.Р . наносят ущерб природе и человеку, например, при коррозии металлов, лесных пожарах, образовании токсичных диоксинов .

    При помощи О.В.Р . получают металлы, органические и неорганические соединения, проводят анализ различных веществ, очищают природные и сточные воды, газовые выбросы.

    Электрохимические процессы это окислительно-восстановительные реакции, которые сопровождаются возникновением электрического тока или вызываются электрическим током.

    В электрохимических процессах окислительная и восстановительная полуреакции пространственно разделены, а электроны переходят от восстановителя к окислителю не непосредственно, а по проводнику внешней цепи, создавая электрический ток. В О.В.Р этого типа наблюдается взаимное превращение химической и электрической форм энергии.

    Выделяют две группы электрохимических процессов:

    · процессы превращения электрической энергии в химическую (электролиз);

    · процессы превращения химической энергии в электрическую (гальванические элементы).

    Простейшая электрохимическая система состоит из двух электродов – проводников первого рода с электронной проводимостью, находящихся в контакте с жидким (раствор, расплав) или твердым электролитом — ионным проводником второго рода. Электроды замыкаются металлическим проводником, образующим внешнюю цепь электрохимической системы.

    При погружении в раствор электролита или воды активного металла его поверхностные ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, вступают в различные взаимодействия с компонентами электролита. В результате на границе металл – раствор возникает разность потенциалов, называемая электродным потенциалом .

    Если активный металл ( Zn , Fe , Ca ) погрузить в раствор его соли, полярные молекулы H 2 O , действуя своими отрицательными полюсами на положительные ионы кристаллической решетки, «извлекают» их, переводят в раствор, который заряжается положительно. На поверхности металла остаются электроны, заряжая ее отрицательно. Между гидратированными катионами в растворе и поверхностью металла устанавливается подвижное равновесие:

    При погружении малоактивного металла ( Cu , Ag , Pt ) в раствор электролита протекает обратный процесс. Ионы из раствора переходят в кристаллическую решетку, заряжая металл положительно, а раствор за счет избытка анионов заряжается отрицательно.

    На границе металл-жидкость возникает двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала — электродным потенциалом.

    Абсолютные значения электродных потенциалов экспериментально определить невозможно. Потенциал каждого электрода зависит от природы металла, от концентрации ионов металла в растворе, от температуры. Поэтому электродные потенциалы измеряют, сравнивая с потенциалом электрода сравнения. Обычно применяют газовый стандартный водородный электрод , потенциал которого стабилен и принимается равным нулю.

    Водородный электрод (рис. 21) представляет собой платиновую пластину 2, покрытую высодисперсной платиной (платиновой чернью). Пластина погружается в 1 М раствор серной кислоты 5,заливаемой в сосуд 1 трубку 3 с краном 4. Через трубку 6 с краном в раствор подается водород при давлении 101,3 кПа и температуре 25 ºС , омывающий электрод и насыщающий пористое покрытие платины. Из сосуда водород выводится через водяной затвор 7.

    Платина, контактирующая с молекулами адсорбированного водорода, катализирует распад молекул на атомы. Атомы водорода, взаимодействуя с молекулами воды, переходят с поверхности в раствор в виде ионов. При этом платина заряжается отрицательно, а раствор – положительно. Наряду с переходом ионов в раствор на электроде идет обратный процесс восстановления ионов H + . Полуреакция этого процесса имеет вид:

    Измеряя значение потенциалов металлов относительно водородного электрода в стандартных условиях, получают ряд стандартных электродных потенциалов или ряд напряжений :

    Из ряда стандартных электродных потенциалов можно сделать следующие выводы:

    • Чем меньше величина электродного потенциала металла, тем сильнее выражены восстановительные свойства атомов , то есть тем активнее металл.
    • Чем больше величина потенциала, тем сильнее выражены окислительные свойства ионов металлов.
    • Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли.
    • Металл, стоящий до водорода, вытесняет водород из растворов кислот

    Электродные потенциалы зависят от природы веществ, участвующих в электродном процессе, от соотношения между активностями этих веществ и температуры. Для разбавленных растворов, эта зависимость выражается уравнением Нернста в следующей форме:

    где — стандартный электродный потенциал данного процесса, = 8,31 Дж/( мольК ) — универсальная газовая постоянная, — абсолютная температура раствора, — число молей электронов передаваемых в процессе, = 96500 Кл/моль — постоянная Фарадея, [ Ox ] и [ Red ] – произведения концентраций веществ, участвующих в процессе в окисленной ( Ox ) и восстановленной ( Red ) формах. В общем случае в уравнении Нернста вместо концентраций необходимо использовать активности веществ.

    После подстановки значений постоянных величин для стандартной при электрохимических измерениях температуре Т = 298 К уравнение Нернста имеет вид:

    В электрохимической реакции растворения металла в растворе собственных ионов в условиях равновесия скорость растворения равна скорости разряда его ионов. Потенциал, устанавливающийся на электроде при равновесии, называется равновесным потенциалом металла.

    При постоянных давлении и температуре для чистого металла активность и концентрацию металла можно положить равной, то есть

    Гальванические элементы или химические источники электрической энергии это устройства, в которых химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую.

    Рассмотрим устройство и принцип работы гальванического элемента Даниэля-Якоби . Он состоит из корпуса 1 (рис. 22), разделенного на две части пористой перегородкой 2. В каждую из частей помещаются электроды: медный 3 и цинковый 4. Медный электрод погружается в раствор сульфата меди, цинковый – в раствор сульфата цинка. Пористая перегородка предотвращает смешивание соприкасающихся растворов и пространственно разделяет окислительно-восстановительную реакцию, протекающую при замкнутой внешней цепи: окисление цинка и восстановление меди.

    На поверхности цинка атомы, соприкасаясь с раствором, превращаются в ионы, гидратируются и переходят в раствор. В результате возникает двойной электрический слой, устанавливается равновесие и возникает электродный потенциал цинка.

    На медном электроде протекает аналогичный процесс, приводящий к возникновению электродного потенциала медного электрода.

    Потенциал цинкового электрода отрицательный по сравнению с медным электродом, поэтому при замыкании внешней цепи электроны будут переходить от цинка к меди. В результате этого равновесие на цинковом электроде сместится вправо и в раствор перейдет дополнительное число ионов цинка. На медном электроде равновесие сместится влево и произойдет разряд ионов меди. Эти процессы будут продолжаться до тех пор, пока не растворится весь цинк или не высадится на медном электроде вся медь.

    Итак, при работе элемента Даниэля-Якоби протекают процессы:

    Этот процесс окисления называют анодным , а электрод – анодом.

    • Восстановление ионов меди

    Процессы восстановления называют в электрохимии катодными , а электроды, на которых идут процессы восстановления – катодами .

    • Движение электронов во внешней цепи.

    · Движение ионов в растворе: анионов к аноду, катионов к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

    Суммируя электродные реакции, получим:

    Это, так называемая, токообразующая реакция .

    При схематическом отображении гальванического элемента границу раздела между проводником первого рода (металлом) и проводником второго рода (электролит) обозначают одной вертикальной чертой, а границу раздела между проводниками второго рода – двумя чертами:

    Гальванический элемент, составленный из одинаковых металлов, контактирующих с растворами солей этих же металлов различной концентрации (активности), называется концентрационным.

    Схематически концентрационный элемент можно описать следующим образом

    Электрический ток возникает при замыкании внешней цепи в процессе переноса вещества от анода к катоду и выравнивании концентраций. Оба электрода при работе не испытывают изменения.

    Потенциалы электродов описываются уравнениями:

    а э.д.с . концентрационного гальванического элемента выражением

    С помощью гальванического элемента можно совершить электрическую работу A за счет энергии химической реакции. Электрическая работа равна произведению разности потенциалов электродов на количество электричества.

    Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой ( э.д.с .) элемента.

    э.д.с . E э равна разности равновесных потенциалов катода и анода

    Если на электродах превращается один моль эквивалентов вещества, то по закону Фарадея через систему протекает один фарадей электричества, при превращении 1 моля вещества – n фарадеев электричества, равное числу молей эквивалентов в одном моле вещества. То есть, максимальная электрическая работа гальванического элемента при превращении 1 моля вещества равна

    A мэ = n · F · E э,

    где E э — э.д.с . гальванического элемента;

    n — число молей эквивалентов;

    F – число Фарадея, 96500 Кл.

    С другой стороны максимальная полезная работа, совершаемая системой при протекании реакции при постоянном давлении равна энергии Гиббса реакции.

    A мр = — Δ G .

    Так как A мр = A мэ, то

    E э = — [ Δ G /( n · F )].

    Это уравнение показывает связь между химической и электрической энергиями. Зная энергию Гиббса реакции, можно определить э.д.с . гальванического элемента и наоборот.

    Энергия Гиббса реакции зависит от активностей реагентов и продуктов реакции или парциальных давлений. Рассчитаем э.д.с . для реакции

    Энергия Гиббса по уравнению Вант-Гоффа равна

    Здесь Δ G 0 – стандартная энергия Гиббса реакции; — активности реагентов и продуктов реакции, соответственно, (для газов необходимо использовать вместо активностей парциальные давления p ).

    Так как Δ G = — n · F · E э , то

    где учтено, что активности чистых металлов a Cu = a Zn = 1 , n = 2 .

    — стандартная э.д.с . элемента.

    Стандартной э.д.с . элемента называется э.д.с ., если парциальные относительные давления исходных веществ и продуктов реакции равны единице или активности исходных веществ и продуктов реакции равны единице.

    Для рассматриваемой реакции стандартная энергия Гиббса Δ G 0 = — 212,3 кДж/моль. Поэтому стандартная э.д.с . элемента Даниэля-Якоби при температуре 298 К

    8.4.5. Измерение э.д.с . гальванического элемента

    Напряжение, непосредственно измеряемое на клеммах гальванического элемента вольтметром, меньше его э.д.с .. ( U < E э ).

    Разница обусловлена омическим падением напряжения на внутреннем сопротивлении элемента и другими эффектами. Измерение э.д.с ., обычно, проводят компенсационным методом, при котором ток, протекающий через элемент, близок к нулю. Для этого параллельно элементу подключают внешний источник тока, э.д.с . которого имеет противоположный знак. В измерительную цепь включают также гальванометр для измерения тока и вольтметр для измерения напряжения. В момент, когда выходное напряжение внешнего источника тока равно э.д.с . гальванического элемента (момент компенсации э.д.с .), ток в цепи и показания гальванометра равны нулю. Измеренное в этот момент вольтметром напряжение на клеммах гальванического элемента равно его э.д.с ..

    Достаточно близким к э.д.с . элемента будет напряжение, измеренное на его клеммах, высокоомным , например цифровым, вольтметром.

    Э.д.с. гальванического элемента измеряют для экспериментального определения термодинамических функций токообразующих реакций.

    Электрохимический способ преобразования химической энергии в электрическую с помощью химических источников обладает рядом достоинств по сравнению с другими способами. Он обладает высоким к.п.д., бесшумностью, безвредностью, возможностью использования в космосе и под водой, в переносных устройствах и на транспорте.

    Электрохимические источники тока делят на три группы:

    1. гальванические первичные элементы;

    2. вторичные источники тока (аккумуляторы);

    3. электрохимические генераторы (топливные элементы).

    Гальваническими первичными элементами называются устройства для прямого преобразования химической энергии заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя) в электрическую. Эти источники одноразового действия непрерывного или с перерывами. Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие источника прекращается после расхода реагентов. Примером гальванического элемента служит рассмотренный элемент Даниэля –Якоби.

    Гальванические элементы характеризуются: э.д.с ., емкостью, энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь, сохраняемостью .

    · Э.д.с. элемента определяется термодинамическим функциями, протекающих в них процессов.

    · Емкость элемента – это количество электричества, которое источник тока отдает при разряде. Зависит от массы запасенных в источнике реагентов и степени их превращения. Емкость элемента снижается с понижением температуры, увеличением разрядного тока.

    · Энергия элемента численно равна произведению его емкости на напряжение. Энергия возрастает с увеличением количества вещества реагентов в элементе и до определенного предела с увеличением температуры. Увеличение разрядного тока уменьшает энергию.

    · Сохраняемость – это срок хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах. Увеличение температуры хранения уменьшает сохраняемость элемента.

    Широкое распространение (радиоаппаратура и электронные устройства, карманные фонарики и др.) получили марганцево-цинковые элементы, в которых анодом служит цинковый электрод, катодом — электрод из смеси диоксида марганца с графитом, токоотводом – графит. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя. Схематически элемент изображается следующим образом

    Токообразующая реакция элемента имеет вид

    На аноде элемента протекает реакция окисления цинка, на катоде восстановление Mn ( IV ) до Mn ( III )

    Анод Zn — 2 e ‾ = Zn 2+

    Катод Mn 4+ + 1 e ‾ = Mn 3+ .

    M арганцево-цинковые элементы относительно дешевы, но имеют невысокие эксплуатационные характеристики. Напряжение элемента быстро уменьшается во времени при увеличении тока нагрузки и понижении температуры, особенно при отрицательных температурах. Более высокие характеристики имеют элементы с теми же электродами, но щелочным электролитом ( KOH ). В последние годы широкое применение получили элементы с литиевыми анодами, неводными растворами электролитов и катодными материалами на основе оксида марганца, оксида меди, сульфида железа и др. Эти элементы характеризуются стабильным напряжением, длительной сохраняемостью , способностью работать при низких (до – 50 ºС ) температурах.

    Аккумуляторы – это устройства, в которых электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая – снова превращается в электрическую. Процесс накопления химической энергии называется зарядом аккумулятора, процесс превращения химической энергии в электрическую – разрядом . При заряде аккумулятор работает как электролизер, при разряде — как гальванический элемент. Процессы заряда – разряда в аккумуляторах осуществляются многократно.

    Одним из наиболее распространенных является свинцовый (или кислотный) аккумулятор , в котором электролитом является 25 — 30 % раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решетки, первоначально заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в PbSO 4 . Решетки отделяются друг от друга пористыми сепараторами.

    Схематическое изображение свинцового кислотного аккумулятора имеет вид

    а токообразующая реакция описывается уравнением

    В результате заряда активная масса одного электрода превращается из PbSO 4 в Pb , а активная масса второго электрода из PbSO 4 – в PbO 2.

    Свинцовые аккумуляторы обладают высоким к.п.д. (до 80 %), высокой э.д.с ., простотой и малой ценой, что обуславливает их широкое применение на транспортных средствах в качестве стартерных аккумуляторов. Срок службы аккумулятора до 5лет.

    Щелочные аккумуляторы обладают большим сроком службы, до 10 лет, и высокой механической прочностью. Наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы, в которых электролитом служит 20-23 % раствор KOH . Положительным электродом является гидроксид никеля, отрицательным – либо кадмий, либо железо.

    Уравнения электродных процессов описываются уравнениями

    Этот тип аккумуляторов обладает меньшими к.п.д. и напряжением по сравнению с кислотным.

    В топливном элементе окислитель и восстановитель хранятся вне элемента и процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам, где происходит непосредственное превращение химической энергии в электрическую. Электроды топливного элемента в процессе работы не расходуются. Удельная энергия топливного элемента (энергия единичного объема или массы) значительно превышает энергию гальванических элементов. В качестве восстановителя в топливных элементах используют водород ( H 2 ), метанол ( CH 3 OH ), метан ( CH 4 ) в жидком или газообразном состоянии, окислителем, обычно, кислород воздуха или чистый.

    В кислородно-водородном топливном элементе (рис. 23) со щелочным электролитом (2) происходит превращение химической энергии в электрическую в реакции

    К аноду (1) топливного элемента подводится топливо (восстановитель – H 2), к катоду (3) – окислитель (кислород).

    Схема элемента имеет вид

    где M – проводник 1-го рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода. На аноде протекает реакция окисления водорода

    H 2 + 2 OH ‾ — 2 e ‾ = 2 H 2 O ,

    а на катоде восстановление кислорода

    В результате протекания токообразующей реакции

    во внешней цепи протекает электрический ток, и химическая энергия превращается в электрическую.

    Стандартная э.д.с . водородно-кислородного топливного элемента E э = 1,23 В. Для большинства элементов э.д.с . составляет 1,0 – 1,5 В.

    В процессе работы электроды топливного элемента поляризуются, в результате чего э.д.с . элемента уменьшается. Для снижения поляризации применяют катализаторы, пористые электроды из высокодисперсных порошков металла или угля, обладающие большой площадью поверхности, увеличивают температуру протекания реакции и концентрацию электролита. В качестве катализаторов электродов топливного элемента используют Ag , металлы платиновой группы, специально обработанные никелем и кобальтом и активированный уголь. На этих электродах уже при 25 – 100 ºС достигается вы c окая скорость восстановления O 2 и окисления H 2 , поэтому их называют низкотемпературными.

    Окисление природных видов топлива: нефти, газа, угля проводят в высокотемпературных топливных элементах, работающих при 500 ºС и выше. В качестве электролита в высокотемпературных топливных элементах используются или расплавы солей ( Li 2 CO 3 + Na 2 CO 3 ), или твердые электролиты, например, смесь ZrO 2 и Y 2 O 3 . Обычно природное топливо подвергают предварительной обработке водяным паром в присутствии катализаторов. В результате конверсии метана в присутствии катализатора получают смесь газов, содержащую водород, которую направляют в топливный элемент

    Для увеличения напряжения и тока топливные элементы соединяют в батареи. Для непрерывной работы топливного элемента необходимы устройства для подвода реагентов, отвода продуктов реакции и теплоты. Все это вместе взятое называют электрохимической энергоустановкой. Мощность электрохимических энергоустановок составляет от десятков ватт до десятков мегаватт. к.п.д. энергоустановок в 1,5 – 2 раза превышает к.п.д. тепловых машин. Они меньше загрязняют окружающую среду.

    Наиболее разработаны кислородно-водородные энергоустановки, которые нашли применение на космических кораблях. Они обеспечивают космический корабль и космонавтов не только электроэнергией, но и водой — продуктом реакции.

    Широкому применению электрохимических энергоустановок препятствует их высокая стоимость и относительно короткий срок службы.

    Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролитов.

    Для осуществления электролиза применяют устройства, называемые электролизерами . В зависимости от вида получаемого продукта (металл, газ, раствор) применяют различные конструкции электролизеров. В простейшем случае электролизер состоит из двух электродов, погружаемых в электролит. Электрод, подключаемый к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, называют катодом. На катоде протекает процесс восстановления – принятия электронов. Электрод, подключаемый к положительному полюсу источника питания, называют анодом. На нем идет процесс окисления – отдача электронов.

    Процессы электролиза, протекающие на электродах, зависят:

    1) от вида электродов: металлические или неметаллические (графитовые);

    2) от состояния электролита (раствор или расплав).

    Рассмотрим процессы электролиза разбив его на две группы:

    • электролиз растворов и расплавов;
    • электролиз с инертными и растворимыми электродами.

    Имеется расплав NaCl . Катионы и анионы находятся в хаотическом движении. Если в расплав опустить графитовые электроды и пропустить постоянный электрический ток, то катионы Na + будут двигаться к катоду, а анионы Cl ‾ – к аноду.

    На катоде катионы натрия, взаимодействуя с электронами, приходящими по внешней цепи, восстанавливаются. На аноде протекает процесс окисления ионов хлора и последующее связывание атомов Cl в молекулы Cl 2 .

    Если электролизу подвергается расплав, который содержит несколько различных катионов металлов, то при этом в первую очередь восстанавливаются катионы металлов, обладающих большим значением электродного потенциала.

    Окислительно-восстановительное действие электрического тока во много раз сильнее действия химических окислителей и восстановителей. Меняя напряжение на электродах, можно создать любой силы окислители и восстановители, которыми являются электроды.

    Более сложные процессы электролиза протекают в водных растворах электролитов. Рассмотрим электролиз с инертными (нерастворимыми) электродами водного раствора NaCl .

    Если концентрация NaCl окажется очень мала, то на аноде вместе с ионами Cl ‾ могут окисляться молекулы H 2 O :

    Руководствуясь табличными значениями стандартных электродных потенциалов металлов можно сделать вывод о последовательности протекания электродных процессов

    • возможно восстановление катионов металлов
    • возможно восстановление молекул воды

    На отрицательном катоде легче всего разряжаются катионы или молекулы с наиболее положительным потенциалом.

    • Катионы металлов с потенциалом, превышающим потенциал водорода: Cu 2+ , Hg 2+ , Ag + , Pt 2+ , … — легко восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла.
    • Катионы металлов с малой величиной потенциала: Li + , Na + , K + , Rb + , … до Al 3+ включительно – на катоде не восстанавливаются при электролизе водных растворов. Вместо них восстанавливается молекулы H 2 O с выделением H 2 .
    • Катионы металлов с потенциалом меньшим, чем у водорода, но большим, чем у алюминия: Mn 2+ , Zn 2+ , Cr 3+ , Fe 2+ , … до H – при электролизе водных растворов восстанавливаются одновременно с молекулами H 2 O .

    На аноде протекают процессы окисления, то есть электроны отводятся внешним источником тока. В зависимости от вида электролита и материала анода на аноде могут окисляться анионы, молекулы растворителя (чаще всего H 2 O ), а также сам материал анода.

    Чем ниже величина потенциала, тем легче вещество окисляется на положительно поляризованном аноде.

    • В первую очередь окисляются бескислородные анионы (кроме F ‾ ), если отсутствуют — окисляется вода.
    • Кислородсодержащие анионы ( ) не окисляются из-за высокого потенциала. Вместо них окисляются молекулы H 2 O с образованием O 2 .
    • Растворимые аноды: Cu , Ag , Zn , Cd , Ni и др. – окисляются, посылая свои ионы в раствор. Инертные (графитовые, платиновые) аноды не окисляются.

    Рассмотрим электролиз с инертными (нерастворимыми) электродами водного раствора K 2 SO 4

    Электролиз водных растворов с растворимым анодом: Cu , Ag , Zn , Cd , Ni рассмотрим на примере NiSO 4 .

    Законы электролиза установлены в 1833 г английским ученым Майклом Фарадеем.

    1. Масса вещества, окисленного на аноде или восстановленного на катоде при электролизе, прямопропорциональна количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита.

    m = k . Q = k . I . t ,

    где: m — масса полученного вещества (кг); k -электрохимический эквивалент (кг/Кл), Q -количество электричества (Кл), I — сила тока.

    2. Массы веществ, окисляющихся на аноде и восстанавливающихся на катоде, при постоянном количестве электричества относятся друг к другу, как их эквивалентные массы.

    Следствие : для получения одного эквивалента любого вещества путём электролиза нужно пропустить через электролит заряд Q = F = 96500 Кл электричества. Эта величина называется числом Фарадея F .

    Выражая электрохимический эквивалент через химический эквивалент Э (кг/моль) и число Фарадея F = 96500 Кл/моль

    запишем первый закон Фарадея в объединенной форме

    На законах Фарадея основаны расчеты электрохимических установок. Они являются теоретической базой для создания счетчиков количества электричества ( кулонометров , интеграторов тока) и других устройств.

    На практике при электролизе нередко сила тока, пропускаемого через электролизер за счет внешнего источника питания, постепенно падает, несмотря на то что, на клеммах электролизера поддерживается постоянным. Вследствие этого процесс электролиза затормаживается, а иногда может остановиться совсем. Это обусловлено поляризацией электродов , то есть отклонением потенциала от его равновесного значения. Наибольший вклад в поляризацию дают химическая и концентрационная составляющие.

    Химическая поляризация связана с процессами, изменяющими химический состав поверхности электродов. Это возможно при адсорбции или осаждении на них продуктов электролиза, что ведет к изменению химической природы поверхности электродов. В электролизере возникает поляризационная э.д.с ., направленная противоположно рабочему току, вследствие чего сила его уменьшается, а, следовательно, затрудняется и работа электролизера.

    Концентрационная поляризация возникает за счет неодинакового изменения концентраций веществ в слое раствора, прилежащего к поверхности электродов. Например, при электролизе раствора AgNO 3 с серебряными электродами концентрация электролита в катодном пространстве уменьшается, а в анодном уменьшается, что приводит к возникновению концентрационного элемента э.д.с ., которого направленного против рабочей разности потенциалов. В связи с поляризацией необходимо дополнительное повышение напряжения на клеммах электролизера, чтобы он работал бесперебойно. Поэтому на практике принимают меры для деполяризации, то есть уменьшения или полного устранения поляризации.

    Для устранения химической поляризации в качестве деполяризаторов используют соединения, взаимодействующие с адсорбированными веществами. В случае концентрационной поляризации используют невысокую плотность тока (сила тока на единицу площади поверхности электрода), что обусловливает не слишком интенсивное протекание процесса электролиза, а это уменьшает опасность возникновения концентрационной поляризации. Концентрационную поляризацию можно снизить энергичным перемешиванием электролита.

    Чтобы протекал процесс электролиза, разность потенциалов, приложенная к электродам должна быть не меньше некоторой определенной величины, характерной для этого процесса

    Наименьшая разность потенциалов, необходимая для проведения данного процесса электролиза, называется потенциалом разложения или напряжением разложения . Потенциалы разложения находят опытным путем. Иногда они совпадают со стандартными потенциалами. Но на практике величина потенциала разложения равна большей величине. Разность между опытным (экспериментальным) и теоретическим значением потенциала разложения называют перенапряжением.

    Катодное перенапряжение можно рассматривать как дополнительное напряжение, прикладываемое к катоду, (при этом потенциал анода смещается в положительную сторону). Величина перенапряжения зависит от материала электродов, состояния их поверхности, состава электролита концентрации раствора и ряда других факторов.

    При электролизе во многих случаях выделяется вещества меньше, чем должно получиться согласно закону Фарадея. Это объясняется тем, что наряду с основными электродными процессами окисления и восстановления протекают побочные и параллельные процессы, например, реакции взаимодействия образовавшегося вещества с электродом или электролитом или выделения наряду с металлом водорода и другие процессы. Поэтому для учета той части прошедшего через электролит электричества, которое расходуется на получение желаемого продукта, введено понятие выход по току .

    Выход по току η — это отношение массы полученного вещества в данных условиях электролиза к массе теоретически вычисленной на основании закону Фарадея.

    Электролиз находит широкое применение в промышленности, технике, искусстве и быту

    • Для защиты металлических изделий от коррозии на их поверхность наносится тонкий другого металла (хромирование, серебрение, меднение , никелирование и т.д.). Эта отрасль прикладной электрохимии называется гальваностегией .
    • Близка по своему принципу к гальваностегии другая отрасль электрохимии — гальванопластика . Гальванопластикой называется процесс получения точных металлических копий с предметов. Для этого предмет покрывают воском, получается матрица. Её делают токопроводящей, покрывая тонким слоем графита. Затем эту токопроводящую матрицу опускают в электролизёр с раствором CuSO 4 , она является катодом, а анодом служит медь. Анод при электролизе растворяется, а на матрице разряжаются ионы меди, и осаждается медь. В результате получается точная медная копия предмета. С помощью гальванопластики изготавливают клише для печатания денег, печатные схемы в радиотехнике, грампластинки.
    • Рафинированием меди называется электрохимический процесс ее очистки от примесей. Этот процесс основан на анодном растворении меди. При выплавке из руд получается «черновая» медь с содержанием меди 96 – 98 %. Остальное – нежелательные примеси. Примеси снижают электрическую проводимость меди, широкое применение которой в электротехнической промышленности обусловлено именно ее высокой электропроводностью. Для очистки меди в электролизёр заливают CuSO 4 и подвешивают пластинчатые аноды из черновой меди, а между ними подвешивают катоды — тонкие пластинки из чистой меди. При пропускании тока через электролизер анод из черновой меди растворяется, на катодах из чистой меди нарастает слой очищенной меди. Кроме того, процесс рафинирования меди позволяет попутно получить ряд ценных веществ: никель, селен, серебро, золото, платина. В месторождениях меди они ей сопутствуют. Эти металлы имеют меньшую алгебраическую величину потенциала и при электролизе переходят в раствор ( Ni ), или выпадают на дно ванны. По окончании электролиза из анодного шлама выделяют эти металлы.
    • C помощью электросинтеза получают органические вещества, в том числе фармацевтические препараты, душистые вещества, фотоматериалы, антидетонаторы (тетраэтилсвинец, тетраметилсвинец ), добавляемые к моторным топливам.
    • Электролизом расплавов получают щелочные металлы: калий, натрий, литий, кальций, магний, алюминий, лантаноиды.

    Коррозия — это разрушение металла под воздействием окружающей среды. Коррозия приводит к большим потерям в результате разрушения трубопроводов, цистерн, металлических частей машин, корпусов судов, морских сооружений и т.п. Безвозвратные потери металла от коррозии составляют до 15% от ежегодного выпуска стали. Кроме того, к убыткам от коррозии можно отнести также стоимость испорченных изделий и потерянного продукта: масла, газа, воды и т.п.. Выброс природного газа и других пожаро — и взрывоопасных веществ через прокорродировавшие отверстия может привести к взрывам и большим материальным и человеческим потерям.

    Потери экономики от коррозии исчисляются млрд. рублей ежегодно. Цель борьбы с коррозией – это сохранение ресурсов металлов, мировые запасы которых ограничены.

    По механизму коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

    Химическая коррозия происходит при взаимодействии металла с сухими газами при повышенных температурах или неэлектролитами — жидкостями, непроводящими электрический ток (нефть сернистая) Химическая коррозия протекает без возникновения электрического тока. Этот тип коррозии также называется газовой коррозией.

    При 250-300 ºС на поверхности углеродистой стали, чугуна появляется пленка оксидов, которая при повышении температуры до 600 º C превращается в слой окалины из оксидов Fe 3 O 4 , имеющая поры и трещины.

    Взаимодействие металлов с газами происходит при повышенных температурах в печах, двигателях внутреннего сгорания, ей подвергаются лопатки газовых турбин и металлы, подвергающиеся термической обработке.

    Медь и алюминий защищает от коррозии защитная пленка:

    Электрохимическая коррозия металлов является более распространенной. К ней относятся все случаи коррозии в водных растворах или во влажной атмосфере. К электрохимической коррозии также относится разрушение металлов при контакте двух разнородных металлов в присутствии H 2 O или других электролитов. Ей подвергаются подводные части судов, паровые котлы, трубопроводы в почве.

    Механизм электрохимической коррозии связан с возникновением и работой на поверхности металла во влажной среде микрогальванических элементов. В результате коррозии протекает анодное окисление металла и катодное восстановление окислителя – среды. Скорость коррозии будет зависеть от природы металла, окислителя, природы и количества примесей в металле и среде.

    1. Рассмотрим коррозию металла, содержащего малые включения инородного металла. Включения не влияют на величину потенциала основного металла. Этот вид коррозии будет наблюдаться, например, на стальном листе с медной заклепкой, контактирующим с кислотой HCl (рис. 24).

    Возникающий гальванический элемент работает в соответствии со схемой:

    Это коррозия называется коррозией с водородной деполяризацией . (Окислитель называют обычно деполяризатором)

    Согласно общим термодинамическим представлениям коррозия возможна, если потенциал металла в данной среде меньше, чем потенциал окислителя.

    2. Рассмотрим коррозию стальных гвоздей во влажном воздухе.

    Поверхность изделия содержит примеси углерода или карбидов (рис. 25) и покрыта во влажной атмосфере пленкой воды, с растворенным в ней кислородом.

    Возникающий гальванический элемент работает в соответствии со схемой:

    Это коррозия с кислородной деполяризацией.

    Примеси, загрязнения играют роль катода, металл – анода. Чистые металлы – не корродируются.

    1. Металлические покрытия . Корродирующий металл покрывают слоем другого металла, практически не разрушающегося в тех же условиях. Материалом для покрытия служат чистые металлы (цинк, медь, хром, серебро, олово и др.) и их сплавы (бронза, латунь и др.). В зависимости от соотношения между электродными потенциалами покрытия и защищаемого металла покрытия делят на две группы — анодные и катодные.

    • Анодное покрытие получают из металла, отрицательный электродный потенциал которого ниже потенциала защищаемого металла. Примером анодного покрытия является цинк на стали (оцинкованное железо), в растворе соляной кислоты (рис. 26). При повреждении покрытия возникает коррозионный элемент, в котором основной металл служит катодом и поэтому не корродирует.

    Схема возникающего коррозионного гальванического элемента имеет вид

    • катодное покрытие получают из металла, электродный потенциал которого в данной среде выше потенциала защищаемого металла. Примером катодного покрытия на стали являются медь, никель, серебро, олово. Так как, металл покрытия менее активен по сравнению с защищаемым металлом, то катодные покрытия защищают металлы от коррозии только в отсутствии повреждений в покрытии. При повреждении покрытия возникает коррозионный элемент. Основной металл в поре повреждения служит анодом и растворяется, а металл покрытия служит катодом. В качестве примера рассмотрим процесс коррозии железа, покрытого оловом (луженное железа) в соляной кислоте при повреждении покрытия (рис. 27).

    Схема возникающего при повреждении катодного покрытия коррозионного гальванического элемента имеет вид

    2. Протекторная защита – это метод защиты металлической конструкции (трубопровод, корпус судна), находящейся в среде электролита. В основе метода лежит торможение катодных или анодных реакций процесса коррозии. К защищаемой конструкции (рис. 28) прикрепляют пластины из металла Б (протектора) более активного, чем металл конструкции А. протектор постепенно разрушается, защищая от коррозии конструкцию А.

    3. Электрозащита (катодная защита). Метод используется для защиты от коррозии конструкций (трубопроводы, кабели, корпуса подводных лодок, ворота шлюзов и др.), находящихся в коррозионной среде с высокой ионной проводимостью. Защищаемая конструкция подсоединяется к отрицательному полюсу источника тока – катоду, а металл (куски старого железа) – к аноду. При определенной силе тока на защищаемом изделии – катоде, идет восстановление окислителя, а анод – окисляясь, подвергается растворению.

    Для защиты поверхности металлических изделий от коррозии широко применяются разнообразные металлические и неметаллические поверхностные покрытия, действие которых сводится к изоляции металла от окружающей среды. Кроме того, защитные покрытия часто имеют и декоративное значение.

    1. Неметаллические защитные покрытия.

    • Эмалирование – это нанесение стекловидной массы – эмали на поверхность черного или цветного металла. Метод защиты применяется при производстве аппаратуры в фармацевтической, химической, пищевой отраслях промышленности и производстве изделий домашнего обихода.
    • Торкретирование – нанесение на поверхность слоя цементного раствора
    • Органические защитные покрытия представляют собой пленки высокополимерных веществ (каучук, синтетические смолы, битум), лакокрасочные покрытия. Наносимые покрытия должны сплошными, газо — и водонепроницаемыми, химически стойкими, обладать высоким сцеплением с металлом, механической прочностью.

    2. Покрытия, образуемые на поверхности защищаемого металла.

    Для создания защитного покрытия металлические изделия подвергают химической обработке для получения на его поверхности слоя химического соединения стойкого против коррозии. Для получения покрытий используются следующие процессы.

    • Оксидирование – образование на поверхности изделия при высокотемпературном окислении в воздухе или погружении в горячие концентрированные растворы щелочей защитной оксидной пленки: ZnO , Al 2 O 3 , FexOy .
    • Фосфатирование – процесс получения покрытия на стали из растворов ортофосфорной кислоты и ортофосфатов марганца: Fe 3 ( PO 4 )2 , Mn 3 ( PO 4 )2 .
    • Азотирование – процесс насыщения поверхности изделия азотом путем длительного нагревания в атмосфере NH 3 при 500-600 ºС .
    • Воронение стали – это процесс поверхностного взаимодействия железа с органическими веществами при высоких температурах. При этом образуется слой Fe 3 O 4 и др.

    3. Изменение состава коррозионной среды.

    Агрессивность коррозионной среды можно снизить уменьшением концентрации активных коррозионных компонентов. Коррозию, протекающую с поглощением кислорода, снижают деаэрацией среды (кипячение, барботаж инертного газа). Широкое распространение для защиты от коррозии получили ингибиторы . Ингибитор – это вещество, которое при добавлении в небольших количествах в коррозионную среду значительно уменьшает скорость коррозии металла. Ингибиторы, адсорбируясь на корродирующей поверхности, вызывают торможение анодных или катодных процессов.

    4. Изменение состава технического металла.

    Коррозионную стойкость металла повышают изменением состава его сплава. Этот метод называется легированием . При легировании в сплав металла вводят компоненты, вызывающие пассивность металла. Для стали такими компонентами являются хром, никель, вольфрам и др. При легировании повышается жаростойкость (стойкость к газовой коррозии при высоких температурах) и жаропрочность (сохранение высокой механической прочности при повышенных температурах). Так при легировании железа 12% Cr или 1% Si и 15% Cr получают нержавеющую сталь с высокой жаростойкостью, применяемую при изготовлении лопаток газовых турбин, реактивных двигателей и в двигателях внутреннего сгорания.

    Тело человека — источник энергии. Есть шесть гуманных способов получить из него электричество

    Ваше тело постоянно генерирует энергию: пока вы тренируетесь, потеете, работаете за компьютером, плачете из-за работы за компьютером или фильма про верного пса, гуляете с псом или без него и даже спите. Современная наука утверждает, что все это можно делать с двойной пользой, и предлагает ряд инновационных решений. Выясняем, насколько мир готов перейти на энергию, генерируемую человеческим телом.

    Жара и холод

    Наши тела поддерживают постоянную температуру 36,6 градуса — это оптимальный показатель для протекания химических реакций в организме. Чаще всего температура внутри человека отличается от температуры окружающей среды, и процессы генерации и отдачи тепла в теле регулируются. Примерно 75% производимой тепловой энергии рассеивается через кожу без пользы для человека.

    Произвести электричество из тепла можно с помощью термоэлектрических генераторов. Такие устройства используют разницу температур между поверхностью кожи и окружающей средой: при этом не важно, где вы находитесь: в пустыне или на Северном полюсе. Чем больше абсолютная разница температур, тем больше электроэнергии вырабатывается — этот принцип называется эффектом Зеебека: если два провода из разных материалов замкнуть в электрический контур, а в местах соединения проводов поддерживать разную температуру, по этому контуру потечет электрический ток.

    Мощность, с которой человеческое тело в состоянии покоя вырабатывает тепло, — около 80–100 ватт — это мощность примерно 12 светодиодных лампочек. При занятиях спортом выделение тепла усиливается, продолжается оно даже во сне, пусть и с меньшей мощностью — 60–80 ватт. Пока вы спите, браслет с термоэлектрическим генератором на запястье может преобразовать до 4,5% вашей тепловой энергии в электричество и накопить достаточно для зарядки смартфона. Будь такое устройство на руке у каждого из нас в течение 8 часов каждый день, тепло, вырабатываемое восьмью миллиардами жителей Земли, могло бы обеспечить до 25% потребляемой в мире электроэнергии.

    Николай Киселев

    ведущий специалист инжинирингового центра Российского экономического университета

    В устройствах, основанных на термоэлектрохимических ячейках, как и у любых батареек или конденсаторов, есть электролит и электроды. Правда, КПД таких устройств пока не превышает нескольких процентов.

    Вместо антиперсперанта — гидрогель и биотопливный элемент

    Пот — это не просто соленая вода. В небольших количествах в нем присутствует лактат — продукт метаболизма, который при физических нагрузках выделяется из молочной кислоты в скелетных мышцах, затем попадает в кровь, органы и другие мышцы, где используется для накопления энергии.

    Чтобы применить лактат для генерации электричества, ученые создали биотопливные элементы на основе углеродных нанотрубок . Устройство напоминает лейкопластырь с электродами, на поверхности которых — окисляющие ферменты. Электрохимические реакции между ферментами и лактатом в составе пота ведут к генерации электрического тока. Концентрация лактата в поте повышается при физических нагрузках, поэтому электроэнергию лучше запасать во время тренировок. Выходной мощности должно хватить для питания небольшой техники — наушников, электронных часов, фитнес-браслетов.

    Во время отдыха тело человека тоже может побыть «электростанцией». Используя технологию окисления лактата, ученые создали маленькие пластины с гидрогелем и биотопливным элементом. Пластины крепятся на подушечки пальцев, где находится самая высокая концентрация потовых желез в человеческом теле. Скорость потоотделения на пальце достигает нескольких микролитров на квадратный сантиметр в минуту — в 2­–3 раза быстрее, чем на других участках тела. Произведенной за восемь часов работы устройства энергии хватит, чтобы зарядить наручные часы.

    Слезы, пролитые не напрасно

    В слезах и слюне содержится лизоцим — фермент , который помогает разрушать стенки бактериальных клеток. Еще в 1965 году, до открытия пенициллина, Александр Флеминг исследовал потенциал этого белка в качестве антибиотика. В 2018 году лизоцим начали использовать для получения электричества. Для этого из кристаллов лизоцима создали пленку и зажали ее между двумя стеклами. Эффект, когда ток возникает при механическом воздействии на твердое тело, называется пьезоэлектрическим.

    Лицозим — первый белок, используя который получили пьезоэлектричество. По эффективности кристаллы лицозима не уступают кристаллам кварца — известного пьезоэлектрика. Но, в отличие от минерала, лизоцим — биологический материал с противомикробными свойствами, и его можно использовать для биомедицинских устройств, таких как кардиостимуляторы.

    В слезах есть и другие электрически перспективные вещества: глюкоза, молочная и аскорбиновая кислоты. Научный коллектив из России и других стран использовал эти соединения как топливо для умных контактных линз. В них встроены электрические сенсоры, измеряющие уровень сахара в организме. Для подпитки сенсоров ученые создали биотопливный элемент, который конвертирует аскорбат и кислород в энергию.

    доктор химических наук

    Мощность электрохимической ячейки очень мала — исходя из концентрации аскорбата и скорости слезотечения, она может составлять до 22,1 микроватта. Но этого достаточно для питания микро-датчика, особенно если увеличить размеры электродов , задействовав обе стороны линзы.

    Электрическое сердце

    Сердце окружено электромагнитным полем. Каждое сокращение мышечной ткани вызывает электрический импульс, который и фиксируют электрокардиограммы. Если ритм и скорость биения сердца нарушаются, это можно скорректировать имплантацией кардиостимулятора, который регулирует импульсы. Такое устройство состоит из микросхемы и аккумулятора, последний приходится заменять каждые 5–10 лет.

    Бессрочным источником энергии может стать само сердце. Чип из наноразмерных слоев цирконата-титаната свинца — пьезоэлектрического материала — вживляется в сердце. С каждым его ударом вырабатывается электричество и накапливается в небольшой батарее. Опыты на крупных животных показали, что организм не отторгает чип.

    «ГЭС» через кровоток

    Кровь непрерывно движется по организму, проходя через капилляры, артерии и вены подобно реке с ее порогами и притоками. Если с помощью плотин люди конвертируют энергию падающей воды в электричество, то почему бы не установить миниатюрную «гидроэлектростанцию» в сосудах?

    Модель подобной «плотины» разработали из волокон на основе углеродных нанотрубок. В экспериментах ее прикрепляли к электродам и погружали в раствор, имитирующий кровоток. При движении жидкости волокна помогали вырабатывать электричество подобно речным гидроэлектростанциям.

    Энергия, которую можно услышать

    Во внутреннем ухе млекопитающих находится естественный аккумулятор — ушная улитка, где генерируются крошечные электрические напряжения — 80–100 милливольт. Это эндокохлеарный потенциал, который обеспечивает работу волосковых клеток, воспринимающих звуки. Далее механическая энергия звуковых волн преобразуется в электрические импульсы, посылаемые в слуховой нерв мозга.

    Для сбора электрической энергии разработали чип размером с ноготь. Его протестировали на внутреннем ухе морской свинки: мощность чипа составила около одного нановатта (одна миллиардная часть ватта) — это в миллион раз меньше, чем нужно для питания электронного имплантата, но работы по увеличению мощности продолжаются.

    Использовать человеческие тела для электроснабжения городов пока не научились. Сначала, по мнению ученых, появятся самопитающиеся имплантаты и кардиостимуляторы: их энергетические запросы невелики. На клинические испытания и разрешение испытаний на живых людях потребуются годы. Энергоемкие устройства, накапливающие электричество от пота или тепла, еще долго будут слишком дорогими, чтобы обрести массовую популярность. Пока новая эра гибкой электроники не наступила, более 60% электроэнергии люди будут получать из ископаемого топлива, а хранить ее помогут привычные аккумуляторы и батарейки.

    Похожие публикации:
    1. В чем измеряется работа тока
    2. Какие величины входят в эту формулу
    3. Какие волны не являются поперечными
    4. Свечение нити лампочки накаливания какой процесс теплопередачи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *