PILE ELECTRICE SECUNDARE-Acumulatori-

Student: Oana Lavinia ACHIMFacultatea de Științe – Specializarea Chimie, anul 3Universitatea din Oradea

PILE ELECTRICE

Sistemele capabile să transforme energia chimică în energie electrică se numesc pile electrice sau elemente galvanice. Componentele principale ale unei pile sunt cei doi electrozi ai ei. Prin electrod se intelege, cand este vorba de o pila, un conductor electric impreuna cu electrolitul din jurul sau. Electrozii sunt in contact electric, in interiorul pilei, prin electrolitii lor; cand sunt uniti, in exteriorul pilei, printr-un conductor electric, prin acesta trece un curent electric de la electrodul negativ la cel pozitiv.

Forța electromotoare a pilelor

Forța elecromotoarea a unei pile , E, sa definit ca diferenţa de potanţial care ia naştere între doi electrozi în circuitul deschis.

În cazul pilei Daniel, pentru reacţia:Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

se poate deduce ecuaţia lui Nernst:

Tipuri de electrozi reversibili

Electrozi de specia întâia) electrozi metalici în contact cu soluţia de electrolit care conţine ionii metalului respectivb) electrozi de amalgam, unde unul din componenţi este mercurul, care funcţionează ca diluant pentru o serie de metale activec) electrozi de gaz: de hidrogen, oxigen, sau clor

Electrodul de hidrogen

Electrozi de specia a douaAceşti electrozi constau dintrun metal în contact cu o sare a sa greu solubilă şi cu o soluţie care conţine anion comun cu sarea. Sunt reversibili în raport cu anionul, ei se caracterizează printr-o mare stabilitate a potenţialului şi se utilizează ca electrozi de referinţă.

Electrozi de specia a treia ( redox)Aceşti electrozi sunt alcătuiţi din plăci de metal (Pt sau Ag) introduse în soluţia care conţine ionii în două trepte de oxidare diferite. Electrozi de membrană sunt electrozii de sticlă a căror potenţial depinde de diferenţa de pH dintre cele două feţe.

Tipuri de PILE ELECTRICEPilele electrice se clasifică în pile chimice şi pile de concentraţie.Pilele chimice pot fi: reversibile şi ireversibile. a) Pilele reversibile sunt pile pentru care reacţia generatoare de curent este reversibilă şi electrozii sunt reversibili. (pila Daniel )b) Pilele ireversibile inversarea procesului electrochimic nu este posibilă. (pila Volta)

Pilele de concentraţie sunt formate din doi electrozi identici, care diferă prin concentraţia soluţiei de electrolit. Curentul apare datorită tendinţei de egalare a celor două concentraţii.

Cele două soluţii de concentraţii diferite se separă printr-o diafragmă poroasă sau se unesc printr-un sifon electrolitic.

Observaţie:Potenţialul de difuzie apare şi la alte pile, nu numai la cele de concentraţie, dacă există diferenţe de concentraţie la joncţiunea lichid-lichid.

Pilă de concentraţie

Tipuri de PILE ELECTRICEPilele fără transport Înlăturarea potenţialului de difuzie se poate realiza în pilele fără transport în care se elimină interfaţa soluţie-soluţie folosind un singur electrolit Pilele chimice pot fi: reversibile şi ireversibile. a) Pilele de gaz se pot realiza cu un singur electrolit,deci fără potenţial de difuzie.

(-) Pt, H2 (p1)/ HCl (a) / H2 (p2), Pt (+)b) Pilele de amalgam care se pot realiza asociind doi electrozi de amalgam de concentraţii diferite în metal.

(-) Cd(Hg) c1 / CdSO4 (c) / (Hg)Cd c2 (+)c) Pilele combinate se realizează combinând electrozi de specia doi şi unu. (elementul Weston)

(-)Cd (Hg) / CdSO4 sol. saturată / pastă Hg2SO4 – Hg (+)

Surse electrochimice de curentAceste surse sunt de două feluri pile primare şi secundare.1) Pilele primare nu se mai pot regenera după consumarea substanţelor iniţiale: pila Leclanché , pila de litiu , pila Malory şi pilele de combustie.a)Pila Leclanché (figura 4.5.) este formată din:-anod de zinc cilindric;-catod de cărbune învelit într-un săculeţ cu praf de MnO2 şi C.Electrolitul este o soluţie de NH4Cl îmbibată într-un gel de amidon.

b) Pila de litiuÎn locul zincului din pila Leclanche` se utilizează litiul şi solvenţi organici sau SOCl2 (clorură de tionil), catodul este identic.c) pila Malory are structură asemănătoare cu pila Leclanche` , dar reacţia catodică este diferită.

2) Pilele secundare sau acumulatoarele:- acumulatorul cu plumb sau acid;- acumulatorul cu fero-nichel sau alcalin.

PILELE SECUNDARE sau ACUMULATORII

Pilele secundare (acumulatoarII) sunt acelea în care produșii de reacție consumaţi în timpul producerii energiei electrice (descărcare) se pot reface cu ajutorul unui proces de electroliză, numit încărcare.

În practică se utilizează frecvent, acumulatoarele, întrucât sunt capabile sa înmagazineze energie electrică care apoi, poate fi utilizată în diferite situaţii.

Acumulatorul cu PLUMB

Acumulatorul cu plumb este o pila cu electrolit lichid realizat pentru prima oara, in anul 1859, de inginerul francez Gaston Planté.

Acumulatorul cu plumb este format din:- anod din plumb cu ochiurile umplute cu plumb spongios;- catod din plăci de aliaj Pb-Sb cu ochiurile umplute cu PbO2.Electrolitul este soluţie 2n de H2SO4 ( ρ = 1,24 g / cm3 )

In timpul functionarii acumulatorului, când acesta debiteaza curent electric, la cei doi electrozi au loc procesele care pot fi reprezentate prin ecuatiile:

la catod (+) : PbO2 + SO42- + 4H+ +2e- PbSO4 + 2H2Ola anod (—): Pb + SO42- PbSO4 +2e-

Reactia globala este:Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- 2PbSO4 + 2H2O

La ambii electrozi se formeaza PbSO4 insolubil, care adera la placi si se sulfateaza. Granulele fine de PbSO4 formate initial se maresc in timpul functionarii, astfel incat randamentul acumulatorului scade.

Se poate constata daca un acumulator este incarcat sau nu prin masurarea concentratiei acidului sulfuric, mai precis prin determinarea densitatii solutiei.

Acumulatoarele cu plumb dau o tensiune de 2,01 — 2,06 V, rămînînd la sarcina normală, aproape invariabilă, în timpul funcţionării. Cand tensiunea scade (la 1,8 V) acumulatorul trebuie încărcat, altfel se degradează.

Caracteristici ale ACUMULATORILOR CU PLUMBDin punct de vedere tehnic, bateriile se caracterizează prin:a)tensiune, determinată de numărul elementelor ĭn serie;b)capacitatea elementului (acumulatorului) (ĭn Ah) pentru o anumită durată de descărcarec)curentul de lucru maxim admisibil (care nu trebuie mult depaşit nici pentru un timp foarte scurt, putănd duce prin efectele lui mecanice la distrugerea plăcilor);d)randamentul energetic ηw = Wdesc/Winc, care este de ordinul 70-80%, din cauza pierderilor de energie prin reacţii chimice secundare (care determină si diferenţa dintre tensiunea medie de ĭncarcare si tensiunea medie de descărcare) si prin efect electrocaloric ĭn rezistenţa lui interioară;e)randamentul ĭn cantitate de electricitate (ĭn sarcină) ΗQ = Qdesc/Qinc de ordinul a 85-90%;f)tipul constructiv (adecvat condiţiilor de utilizare si durabilitaţii necesare: acumulatoarele de dimensiuni mici şi durabilitate redusă pentru autovehicule, acumulatoare de dimensiuni mari si durabilitate mare, pentru instalaţii staţionare etc.)

Acumulatorii cu fero-nichel(alcalini)

Un alt acumulator mult folosit este bateria alcalina sau bateria nichel - fier, dezvoltata de inventatorul american Thomas Edison în 1900. Electrodul negativ este din fier, cel pozitiv din oxid de nichel iar electrolitul este o solutie de hidroxid de potasiu. Are dezavantajul de a emana hidrogen in timpul încarcarii. Aceasta baterie este folosita în principal in aplicatii în industria grea. Bateria Edison functioneaza bine timp de 10 ani si produce circa 1.15V.

Electrolitul utilizat în acumulatorii alcalini este hidroxidul de potasiu. Două tipuri de acumulatori alcalini sunt cu precădere utilizaţi: acumulatorul fier - nichel (T.A. Edison, 1901) şi acumulatorul cadmiu - nichel (W. Jungner, 1899).

Ambele tipuri au catodul din oxid bazic de nichel iar masa anodică este pulbere de fier sau cadmiu. Electrolitul este o soluţie 20% de KOH (ρ = 1,17 g/cm3).

Problema comună tuturor acumulatoarelor este supraîncărcarea; dacă există un surplus de energie la încărcare, la anod şi la catod se manifestă şi alte procese decât cele corespunzătoare REMA. În cazul acumulatorului cu plumb se formează hidrogen şi oxigen. Şi în cazul acumulatorilor alcalini se vor forma aceste gaze dar pe o cale proprie. Pe placa de nichel se poate produce şi oxigen (supratensiunea acestuia fiind mică)

Degajarea de gaze a împiedicat mult timp realizarea de acumulatori alcalini. Cercetări susţinute au dus în final la realizarea de acumulatori alcalini Cd - Ni închişi etanş care au placa de cadmiu cu suprafaţă mare (electrozi poroşi, obţinuţi prin sinterizare), utilizează cantităţi mici de electrolit, prezintă o diafragmă poroasă între electrozii placă şi care permite difuzia la temperatura ridicată din celulă.

În aceste condiţii, oxigenul format pe placa de nichel difuzează spre placa de cadmiu unde pot avea loc reacţii chimice sau electrochimice de captare a lui:

Bibliografie:• Atkins, P. W. , Tratat de chimie fizică, Ed. Tehnică,

Buc., 1996.• Oprea, G., Chimie fizică .Teorie şi aplicaţii , Editura

Risoprint , Cluj Napoca , 2005.• Oniciu, L., Chimie fizică - Electrochimie, EDP, Buc.,

1977.• Oniciu ,L.,Muresan, L.,Electrochimie aplicata , Presa

universitara clujeana,1998.• http://

chimiegenerala.3x.ro/Scheme/surse%20chimice.htm • http://

derivat.ro/cursuri/electronica/an1/an1_derivat.ro_chimie_Pile%20electrice_48178.docx