Ответы на билеты. Состояние любого электрона в атоме может быть охарактеризовано с помощью набора четырех квантовых чисел
 Скачать 250.5 Kb.
|
|
Существуют 3 типа ХИТ: первичные - гальванические элементы, вторичные – аккумуляторы и топливные элементы. В гальванических элементах активные вещества, необходимые для работы элемента, закладываются в него при монтаже, после израсходования веществ элемент утилизируется. В основу аккумулятора положена высоко-обратимая хим реакция окисления-восстановления, которую можно проводить в обоих направлениях. Топливный элемент – это ХИТ длительного действия, начинающий и прекращающий работу с началом и прекращением подачи активных веществ в электродам. Достоинства ХИТ: высокий КПД, экологическая чистота, бесшумность, автономность действия. Недостаток – низкие удельные характеристики. Марганцево-цинковый элемент: наиболее широко применяется среди первичных ХИТ. Электрохимическая цепь: (-)Zn|NH4Cl|MnO2(+). Электролит – 20% раствор NH4Cl, загущенный до студнеобразного состояния, для предотвращения высыхания и загнивания вводят специальные добавки. MnO2 спрессован с добавкой сажи – для увеличения электроемкости. ЭДС от 1,48 до 1,8 в зависимости от кристаллической модификации MnO2, начальное напряжение 1,1-1,25В. Процессы при разряде: (-) Zn-2ē+2H2O>Zn(OH)2+2H+, (+)2MnO2+2ē+2H+>2MnO.OH, Zn+2MnO2+2H2O=Zn(OH)2+2MnO.OH. Вторичная реакция: Zn(OH)2+2NH4Cl=[Zn(NH3)2]Cl2+2MnO.OH. Аккумулятор – накопитель, запасатель. Требования к ним: высокая обратимость реакции, высокое и постоянное значение ЭДС, возможность отбирать токи большой силы, значительная емкость в А*ч, соответствующие вес и габариты. Аккумуляторы соединяют в батареи для увеличения ЭДС. Свинцовый аккумулятор: ребристые свинцовые пластины обмазывают пастой, состоящей из PbO и H2O и помещают в 25-30% раствор H2SO4. В результате реакции электроды покрываются корочкой сульфата свинца. Цепь не заряженного аккумулятора: (-)PbSO4|H2SO4,H2O|PbSO4(+). Для заряда подсоединяют к источнику постоянного тока – идет электролиз: катод PbSO4+2ē+2H+>Pb+H2SO4, анод PbSO4-2ē+SO42-+2H2O>PbO2+2H2SO4. Цепь заряженного аккумулятора: (-)Pb|H2SO4,H2O|PbO2(+). Разряд аккумулятора: Pb-2ē+SO42->PbSO4, PbO2+2ē+2H++H2SO4>PbSO4+2H2O. Примеси способны препятствовать заряду аккумулятора и вызывать его саморазряд при разомкнутой внешней цепи. ЭДС: E=E0-RT/(2Ф)*ln[α(h20)^2]/[α(h2so4)^2]. Недостатки: непостоянство ЭДС, невысокий ресурс, большая масса. Достоинства: высокая ЭДС, большая емкость в А*ч, высокая отдача. Щелочной железно-никелевый аккумулятор, ЭДС 1,33-1,35В. Отрицательный электрод – спрессованное порошкообразное железо с небольшим количеством специальных добавок, положительный электрод – гидрат окиси никеля с добавкой графита для повышения электропроводимости, электролит – 23% раствор КОН. Цепь заряженного аккумулятора: (-)Fe(OH)2|KOH|Ni(OH)2(+), заряженного: (-)Fe|KOH|Ni(OH)3(+). Заряд-электролиз: катод Fe(OH)2+2ē>Fe+2OH-, анод 2Ni(OH)2-2ē+2OH->2Ni(OH)3. Разряд-работа: катод Fe-2ē+2OH->Fe(OH)2, анод 2Ni(OH)3+2ē>2Ni(OH)2+2OH-. ЭДС: E=jNi2+/Ni3+-jFe=j0Ni-j0Fe+RT/(2Ф)*ln([Ni3+]^2/{[Ni2+]^2*[Fe2+]}). Достоинства: ЭДС не меняется в процессе разряда, хорошо переносит вибронагрузки, большой ресурс. Недостатки: невысокая ЭДС, небольшая емкость, отдача 50%. Превращение химической энергии топлива непосредственно в электроэнергию производится с помощью топливного элемента, его КПД должен быть близок к 100%. Топливный элемент – это в принципе разновидность гальванического элемента, в котором активным материалом отрицательного электрода может служить обычное топливо, а в качестве активного вещества положительного электрода используют кислород. Реакции окисления и восстановления в топливном элементе разделены, протекают на соприкасающихся через электролит электродах. Требования к топливным элементам: неизменность свойств электродной границы в течении длительного времени, непрерывность и равномерность подачи и отвода веществ, большая скорость электрохимических реакций. Наибольшие успехи достигнуты в деле создания топливных элементов, работающих на газообразных, активных веществах. Водородно-кислородный топливный элемент: водородный(-) и кислородный(+) электроды, газовые камеры, терморегулятор, циркуляционный контур для электролита, электролит(KOH, H2SO4). Электроды – микропористые никелевые пластины, изготовленные методом металлокерамики. Газообразные водород и кислород подаются в газовые камеры под давлением 75 атм, что предотвращает просачивание электролита в камеры. Т электролита 240С. Процессы в щелочном электролите: катод 2H2-4ē+4OH->4H2O, анод O2+4ē+2H2O>4OH-. В кислом электролите: 2H2-4ē>4H+, O2+4ē+4H+>2H2O. Коррозия – самопроизвольно протекающий процесс поверхностного окисления металлы в результате его химического или электрохимического взаимодействия с агрессивной окружающей средой. Химическая коррозия протекает в средах не проводящих ток, подразделяется на газовую – разрушение металла в атмосфере сухого газа – окислителя, и жидкостную – разрушение металла в жидкостях, не проводящих ток. При электрохим коррозии имеет место электролит и ток, подразделяется на гальванокоррозию и электрокоррозию. При гальвонокоррозии разрушающийся металл является отрицательным электродом самопроизвольно возникающего коррозионного коротко-замкнутого гальванического элемента, этот элемент работает и разрушает сам себя. Гальванокоррозия бывает микро (неразличимые глазом вкрапления одного металла в другой) и макро (два разнородных металла большой массы). При протекании электрокоррозии разрушающийся металл является анодом самопроизвольно возникающей электролизной цепи, получающей питание от внешнего источника ЭДС за счет блуждающих токов – токов утечки. На практике рассматривают атмосферную и почвенную коррозию, эти виды коррозии обладают признаками как химической, так и электрохимической коррозии. Рассмотрим коррозию двухвалентного металла в атмосфере: Ме+1/2О2=Ме, на поверхности металла образуется твердая пленка оксида. В металле идет обратимый процесс: Мe=2ē+Мe2+. Электроны проникают в оксидную пленку и ионизируют атомы кислорода, диффундирующего извне в пленку оксида. На границе Ме-МеО протекает реакция Мe2++О2-=МеО, пленка медленно растет изнутри. Скорость окисления зависит от прочности пленки, если пленка сжимается (Vок/Vме>1), то трещины образуются хуже, чем если она растягивается (Vок/Vме<1). Например: ZnO защищает металл от дальнейшего окисления, MgO – нет. При Vок/Vме>1 пленка сплошная, скорость процесса коррозии определяется скоростью диффузии реагентов через пленку => по мере утолщения пленки скорость ее роста падает. Хемосорбция атмосферного кислорода поверхностью металла – в результате образуется очень тонкий слой оксида, предохраняющий метел от коррозии. Пассивация – образование на поверхности металла оксидных или иных слоев под действием спец реагентов, что вызывает резкое замедление коррозии. Жидкостная химическая коррозия – разрушение металла в жидкой среде, не проводящей электрический ток. Чистые металлы практически не корродируют. Рассмотрим микро-гальванокоррозию на примере растворения химически чистого железа в серной кислоте. На границе металл-жидкость образуется слой ионов Fe2+, удерживаемый отрицательно заряженным металлом у своей поверхности. Ионы железа удерживают ионы Н+, не давая им восстановиться за счет электронов железа. Отсюда и коррозийная стойкость химически чистого железа. Техническое железо содержит вкрапления углерода, который не передает в раствор + ионов и не имеет заградительного барьера от ионов Н+. Возникает коррозийный коротко-замкнутый гальванический элемент: (-)Fe|H2SO4|C(+), (-)Fe-2ē>Fe2+, (+)2H++2ē>H2. Гальвано коррозия может протекать с водородной (приток электронов от - к + поляризует +, а ионы H+, связывая электроны, тем самым деполяризуют +) или кислородной (роль окислителя, связывающего электроны на +, играет растворенный молекулярный кислород) деполяризацией. На процесс коррозии влияют температура (ускоряет коррозию, увеличивая скорость реакции) и рН (различный эффект для различных металлов). При малых рН повышается электропрододность, что ускоряет электрохим процессы, хорошо растворяются продукты коррозии. При малых и высоких рН увеличивается сокроть коррозии атмосферных металлов. Макрогальванокоррозия – в основе процесса лежит макроэлемент, электроды которого хорошо различимы невооруженным глазом, возникают всегда, когда в присутствии электролита соприкасаются металлы, с большим различием в ряду напряжений. Покрытие из менее благородного металла – анодное, из более благородного - катодное. Процесс гальванокоррозии может протекать при неравномерной аэрации различных участков поверхности одного и того же металла, при контакте деформированного(-) и недеформированного(+) участков металла. Электрокоррозия – идет процесс электролиза под действием электрического тока от внешнего источника. Рассмотрим коррозию трубопровода во влажной почве под воздействием блуждающих токов, которые ответвляются от рельсов электротранспорта, преимущественно на стыках. Возникают два электролизных участка: слева от стыка рельс – катод, труба – анод, справа от стыка рельс – анод, труба – катод. Процессы: анод Fe-2ē>Fe2+, катод 2H++2ē>H2 или O2+4ē+2H2O>4OH-. Слева от стыка разрушается трубопровод, справа – рельс. Антикоррозийное легирование металла – введение в металл легирующих добавок, чтобы повысить коррозийную стойкость основного металла. Защитные металлические покрытия: анодные покрытия – металлы менее благородные, чем защищаемый, катодные – более. Наносятся путем металлизации – наносятся гальваническим путем, алитирования – диффузным способом, плакированием – покрытие тонким слоем другого металла, контактным покрытием – с использованием реакции замещения. Неметаллические покрытия: органические – лаки, краски, резина, бакелит, битум, асфальт, минеральные масла; неорганические – эмалирование, торкретирование (покрытие тонким слоем бетона). Химические покрытия – обработка химическими реагентами для получения пленки, стойкой против коррозии. Оксидирование (термическое, химическое), азотирование, цианирование. Ингибиторы коррозии – вещества, присутствующие даже в малых количествах в коррозионно-активных средах и замедляющие процесс разрушения металла. Летучие ингибиторы эффективны для защиты от атмосферной коррозии. Добавки – ингибиторы к смазочным маслам, образуют прочную защитную пленку. Ингибиторы действуют на коррозийную среду, а пассиваторы на защищаемый металл. При протекторной защите металл приводят в контакт с менее благородным – цинковыми или магниевыми пластинами – протекторами, (-)Zn-2ē>Zn2+, (+)2H++2ē>H2. Катодная электрозащита: защищаемая конструкция присоединяется к катоду, а специальный анод, находящийся в той же среде, к аноду внешнего источника, поддерживается постоянный оптимальный катодный потенциал, (+)Fe-2ē>Fe2+, (-)2H++2ē>H2. Анодная электрозащита: используется анодная поляризация защищаемого металла, применим к металлам и сплавам, способным легко пассироваться при смещении их потенциала в положительную сторону. |