Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
ГЛАВА 8. ИДЕЯ ПРИНОСИТ ПЛОДЫ
Миллиарды батареек
Вольтов столб был первым устройством, которое служило источником тока и служило долго. Только в 1882 г., когда была пущена первая электростанция, первая динамо-машина, был положен конец монополии электрохимических источников тока.
Но в последние годы такие электрохимические источники снова приобрели важное значение. Вспомним прежде всего медно-цинковый элемент Даниеля — Якоби.
Петр Романович Багратион (1818—1878), племянник героя Отечественной войны 1812 г. и губернатор города Твери, изобрел весьма удобный в обращении «сухой» гальванический элемент: к электролиту элемента Даниеля — Якоби он добавил для загущения мелкий чистый песок.
Неплох был и платиново-цинковый элемент Уильяма Гроува. Он оказался настолько мощным, что Якоби приспособил его для питания электродвигателя лодки и плавал на ней по Неве, изумляя непосвященных.
Но изобретенный еще в 1865 г. Георгом Лекланше (1839—1882) и сконструированный в виде цилиндрической или плоской батарейки марганцево-цинковый элемент (элемент Лекланше) превзошел все другие электрохимические системы. Последние десятилетия, когда снова повысился интерес к автономным источникам тока, он прочно занимает главенствующее положение. Промышленность выпускает в основном гальванические элементы с цинковыми анодами и катодами из окиси марганца, меди, ртути и серебра, хотя теоретически сочетаний могут быть десятки. Но с элементом Лекланше ничто не может сравниться! В 1974 г., например, из 10 миллиардов сухих батарей, выпущенных во всем мире, элементов Лекланше было 9 миллиардов.
На их изготовление человечество расходует более
Сухой гальванический элемент в разрезе.12 процентов добываемого цинка. Элемент этот знают все владельцы транзисторных приемников. Его товарное название — элемент-373 («Марс»).
Г рафитовый стержень, обернутый свертком диоксида марганца, помещен в цинковый стаканчик, где находится электролит — раствор хлорида аммония, загущенный до студнеобразного состояния крахмалом. В электролит вводят добавки: для предотвращения высушивания — гигроскопические соли и для лучшего контакта электродов, а также для уничтожения микроорганиз мов — хлорид ртути. Электродвижущая сила элемента достигает 1,5 вольта. Он работает в любом положении и не восприимчив к небольшим сотрясениям. В нем протекают довольно сложные электрохимические реакции: ток генерируется благодаря окислению цинка двуокисью марганца.
В гальванических элементах электрическая энергия производится за счет окислительных и восстановительных химических реакций, хотя окисление проходит и без участия кислорода. Окисляющееся вещество отдает электроны на поверхность одного из электродов (отрицательный полюс). Эти электроны проходят по внешней цепи к поверхности другого электрода (положительный полюс) и восстанавливают вещество, находящееся с ним в контакте. Для потребителя в момент включения электрической цепи отрицательным полюсом, то есть поставщиком электронов, является корпус элемента Лекланше, а положительным полюсом — графитовый стержень с латунным колпачком.
Важное значение имеют так называемые дышащие элементы, которые делаются в виде сухих батарей. В них угольный катод окружен не диоксидом марганца, а пористым угольным цилиндром, содержащим адсорбированный кислород, который диффундирует через поры к электроду и оказывает там свое деполяризующее действие. Деполяризаторами называют вещества, которые переводят вещество, образовавшееся на электроде и вызывающее его поляризацию, то есть смещение потенциала, в невосприимчивые к электродному процессу продукты. Если, например, водород обусловливает поляризацию электрода, то можно вызвать деполяризацию, окисляя водород до воды.
Ежегодно в мире производится около миллиарда элементов миниатюрного «пуговичного» типа, применяемых в карманных калькуляторах, часах, слуховых аппаратах, кинокамерах, радиостанциях, игрушках и т. д. Основаны они на электрохимических системах типа оксид ртути — цинк, окись серебра — цинк, окись магния — цинк. Постепенно на смену им приходят элементы на основе лития с катодом из окиси марганца или окиси меди. Напряжение таких элементов достигает 3 вольта, а емкость — до 0,6 ватт-часа на кубический сантиметр объема — в 5 раз выше, чем у элемента Лекланше.
Широкое применение находят гальванические элементы в кардиохирургии. Уже в 1975 г. пациентам было имплантировано 130 тысяч электрокардиостимуляторов — приборов для электростимуляции сердца — с ртутноокисными системами и системой литий — йод. Гальванические элементы для таких целей должны быть надежными, стабильными и безвредными для организма. Служат они не менее пяти лет.
Если предположить, что четверть населения земного шара, а на Земле живут 4,8 миллиарда человек, имеет транзисторы и магнитофоны и включает их в среднем хотя бы на час в день, да к этому добавить еще электрические часы, будильники, калькуляторы, детские электрифицированные игрушки, карманные фонарики, то мы представим себе, как велика эта индустрия, ежедневно «перерабатывающая» около 40 тонн цинка в «бытовое» электричество.
Мечта об электромобиле
Энергия, содержащаяся во всех других гальванических источниках — аккумуляторах, работающих на земном шаре, равна, как это не удивительно, общей энергии всех электростанций мира. И еще более удивительно, что большую часть времени они не работают, а бездействуют в ожидании запуска автомобильного двигателя.
Когда то Риттер изобрел вторичный элемент, который мог давать ток после того, как его заряжали с помощью другого источника тока, а Якоби удачно использовал его для практических целей. Все это послужило толчком к тому, чтобы в 1859 г. французский физик Гастон Планте (1834—1889) изобрел свинцовый аккумулятор. Впрочем, принцип его работы был известен еще Фарадею.
Свинцовая аккумуляторная батарея напряжением 12 вольт состоит из шести элементов. Процессы, генерирующие ток, идут, как известно, на электродах, и ток получается тем сильнее, чем больше поверхность электродов. Поэтому анод каждого элемента сделан из губчатого свинца, а катод — из порошкообразного диоксида свинца, заполняющего металлическую решетку. Оба электрода погружены в раствор серной кислоты. Во время работы батареи, когда происходит перенос электронов во внешней цепи, то есть разрядка аккумулятора, электроды покрываются сульфатом свинца, а концентрация серной кислоты уменьшается. Во время же зарядки батареи электроны от внешнего источника энергии перетекают в обратном направлении и сульфат свинца превращается на одном электроде в свинец, а на другом — в диоксид свинца.
Коэффициент полезного действия аккумулятора не превышает 80 процентов. Иными словами, при работе возвращается не более 80 процентов электрической энергии, затраченной при зарядке.
Существуют и другие аккумуляторы. В электрокарах, например, используются щелочные железоникелевые, а в космических аппаратах и кораблях — цинково-серебряные или никель-кадмиевые.
К сожалению, аккумуляторы имеют слишком малую удельную энергию. У свинцового она равна 20 ватт-часам на килограмм массы. Кроме того, на них идут
