Лекции 9-10

Щелочные первичные ХИТс цинковым анодом

2

Щелочной электролит

КОН (27-40% или 6-10 моль/л)

NaOH (20% или 6 моль/л)

3

Цинковый электрод в щелочном электролите: Первичный процесс

Средние и большие плотности тока

Zn + 4OH- ZnO22- + 2H2O + 2e- (Еа=-1,216 В)

Zn(OH)42-

Особенности: Расходуется большое количество щелочи Образуется растворимый цинкат (растворимость 1-2 моль/л) При насыщении раствора цинкатом на поверхности цинка

осаждается Zn(OH)2 – первичный процесс прекращается Следовательно, емкость цинкового электрода в данном

случае лимитируется не количеством цинка, а количеством щелочи

4

Цинковый электрод в щелочном электролите: Вторичный процесс

Малые плотности тока

Zn + 2OH- Zn(OH)2 + 2e- или

Zn + 2OH- ZnO + Н2О + 2e- (Еа=-1,245 В)

Особенности: Расход щелочи – в 2 раза меньше, чем в первичном

процессе Образуются нерастворимые гидроксид или оксид Емкость цинкового электрода в данном случае

количеством щелочи не лимитируется

на катоде: на один электрон выделяется один ион ОН-

5

Первый способ использования цинкового анода в щелочных растворах

1. Используется только первичный процесс. Цинковый электрод погружается вместе с катодом в емкость с большим объемом щелочного электролита. Zn имеет гладкую поверхность и работает до насыщения раствора цинкатом при высоких плотностях тока

6

Второй способ использования цинкового анода в щелочных растворах

2. Используется только вторичный процесс. Цинковый электрод представляет собой порошковый электрод с большой площадью поверхности для снижения плотности тока

Первый способ: Щелочные меднооксидные элементы (МОЭ)

Катод– Брикет из CuO, смешанного со связующим

веществом (жидкое стекло)

Анод– Отливается из сплава цинка с ртутью

Амальгамация цинка применяется для снижения коррозии цинка

Малейшие примеси железа недопустимы, так как резко увеличивают коррозию цинка

– Емкость анода превышает емкость катода на 20-30%

Электролит– 20% р-р NaOH

7

8

Процессы на катоде

2CuO + H2O + 2e Cu2O + 2OH-

(Ек=-0,28 В)Токообразующая реакция 1

2CuO + H2O + Zn + 2NaOH Cu2O + Na2Zn(OH)4, Е0 = -0,28-(-1,245) = 0,965 В

Cu2O + H2O + 2e 2Cu + 2OH-

(Ек=-0,56 В)Токообразующая реакция 2

Cu2O + H2O + Zn + 2NaOH 2Cu + Na2Zn(OH)4, Е0 = -0,56 +1,245 = 0,685 В

9

Характеристики щелочных МОЭ

Стабильное напряжение Возможность работы при отрицательных

температурах (до -10С) Ничтожный саморазряд Срок службы 10-15 лет Простота в эксплуатации Основная область применения:

сигнализация и связь на железной дороге

Второй способ:1. Ртутно-цинковые элементы (РЦЭ)

Катод– Оксид ртути HgO,

смешанный с графитом и ПАВ

Анод– Амальгамированный

цинковый порошок, пропитанный электролитом

Сепаратор электродов– Картон, пропитанный

электролитом Электролит

– 40% р-р KOH, насыщенный цинкатом10

11

Процесс на катоде

HgO + H2O + 2e Hg + 2OH-, Ек=0,1 В

Токообразующая реакция

HgO + H2O + Zn Hg + Zn(OH)2,

Е0 = 0,1 – (-1,245) = 1,345 В

12

Характеристики ртутно-цинкового элемента

Коэффициент использования цинка и оксида ртути почти 100% из-за ничтожной коррозии цинка

Небольшой избыток HgO обеспечивает лимит емкости элемента по цинку, что защищает элемент от разрыва в случае выделения водорода на стальном корпусе элемента

Стабильное напряжение Малогабаритность Хорошая сохраняемость (до 5 лет без потери

емкости)

13

Недостатки РЦЭ

Высокая стоимость

Дефицит ртутного сырья

Токсичность ртути

История ртутно-цинковых элементов

Samuel Ruben (1900-1988) Первый вариант РЦ-элемента

14

Duracell

15

16

Второй способ:2. Марганцево-цинковые элементы (МЦЭ)

Катод– Электролитический оксид марганца MnO2,

смешанный с графитом, щелочным раствором и связующими веществами

Анод– Паста из 30%-го раствора КОН, загущенного

крахмалом, в котором распределен цинковый порошок

Электролит– 30% р-р KOH

17

Устройство щелочного МЦЭ

1-катод 2-сепаратор с

электролитом 3-корпус 4-футляр 5-токоотвод 6-анод 7-дно 8-прокладка

18

Процесс на катоде

MnO2 + H2O + e MnOOH + OH-

(ср. элемент Лекланше)

19

Характеристики марганцево-цинкового элемента

Емкость и энергозапас – выше, чем у элемента Лекланше, но ниже, чем у РЦ-элементов

Хорошая сохраняемость

Вестник Тамбовского ГТУ. 2010. Том 16. № 2.

20