Конструкция

4.      Конструкция.

Конструкция серебряно-цинковых аккумуляторов существенно отличается от конструкции обычных щелочных или кислотных аккумуляторов. В серебряно-цинковых аккумуляторов положительные пластины изготавливаются из чистого тем или иным способом приготовленного серебра, а отрицательные – из окиси цинка в смеси с порошком металлического цинка. Положительные пластины отделены от отрицательных несколькими слоями гидратцелюлозной пленки, применение которой обусловлено тем, что через неё, с одной стороны хорошо диффундирует электролит, а с другой стороны она препятствует миграции коллоидных частиц окислов серебра от положительного электрода к отрицательному и произрастанию дендритов цинка в противоположном направлении.

Собранный пакет электродов помещается в пластмассовый сосуд и заливается химически чистой калиевой щелочью. Размеры электродов и сосудов подбираются таким образом, чтобы при заполнении аккумулятора электролитом электроды испытывали соответствующее боковое давление, обеспечивающее механическую устойчивость, предупреждающую осыпание активной массы электродов. Кроме того, при наличии бокового давления отпадает необходимость использования каких-либо жестких решёток и стоек, как это делается у обычных кислотных аккумуляторов.

5.      Электрохимическая схема.

Электрохимическая схема серебряно-цинкового аккумулятора имеет вид:

–   Zn | KOH | AgO, Ag +

6.      Электрохимические процессы.

При зарядке аккумулятора (восстановление на электроде активных веществ) на аноде происходит окисление серебра до одновалентного иона:

2Ag + 2OH^– =Ag₂O + H₂O + 2e^–

с последующим окислением до иона двухвалентного серебра:

Ag + 2OH^– = 2AgO + H₂O + 2e^–

На катоде происходит процесс восстановления:

+2Zn(OH)₂ + 4e^– = 2Zn + 4OH^–

После того, как потенциал серебряного электрода достигнет величины потенциала выделения кислорода, главной реакцией становится реакция образования кислорода:

4OH^– ® 2H₂O + O₂ + 4e^–

Напряжение аккумулятора при этом снова возрастает и за время менее одного часа достигает величины 2,1 В. Продолжение заряда аккумулятора не только бесполезно, но и вредно, т.к. во первых аккумулятор уже не воспринимает емкости, а во вторых выделяющийся на серебряных электродах кислород окисляет целлофановую сепарацию и тем самым уменьшает её прочность. Кроме того, в результате наступающего электролиза цинкатного электролита на цинковых электродах начнется выделение цинка в виде дендритов, которые могут легко прокалывать сеперацию. Поэтому систематический перезаряд серебряно-цинкового аккумулятора резко снижает срок его службы.

При отборе электрического тока, т.е. при работе аккумулятора в режиме разряда, протекают следующие электрохимические процессы:

На аноде внутренней цепи происходит реакция окисления металлического цинка:

2Zn + 4OH^– = ZnO + HOH + Zn(OH)₂ + 4e^–

На катоде внутренней цепи протекает реакция:

2AgO + 2e^– + HOH = Ag₂O + 2OH^–

т.е. происходит реакция восстановления иона двухвалентного серебра до одновалентного иона и далее до чистого серебра по схеме:

Ag₂O + 2e^– + HOH = 2Ag + 2OH^–

Суммарное уравнение записывается в виде:

2AgO + HOH + 2Zn = 2Ag + ZnO + Zn(OH)₂

При заряде эта реакция идет в прямом направлении, а при разряде – в обратном.

Ц и н к

 

1.  Электронное строение.

Zn 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰

2.  Положение в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30. Он находится в четвертом периоде второй группы.

3.  Важнейшие физические свойства.

Цинк представляет собой синевато - белый металл, плавящийся при 419° С, а при 913° С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см³. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110° С он хорошо гнется и прокатывается в листы.

4.  Взаимодействие с окислителями.

 На воздухе цинк покрывается тонким слоем окиси или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления. Вода почти не действует на цинк, хотя он и стоит в ряду напряжений значительно левее водорода. Это объясняется тем, что образующаяся на поверхности цинка при взаимодействии его с водой гидроокись практически нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции.

Цинк является довольно активным металлом.

1. Он легко взаимодействует со многими неметаллами: кислородом, галогенами:

а) 2Zn + O₂ = 2ZnO (оксид цинка)

Zn⁰  – 2e^– = 2Zn²⁺

O₂ + 4e^–=2O₂^2–

б) Zn + Cl₂ = ZnCl₂ (хлорид цинка)

Zn⁰  – 2e^– = 2Zn²⁺

Cl₂ + 2e^–=2Cl^–

2. При нагревании взаимодействует с водой:

Zn + H₂O = ZnO + H₂­

Zn⁰  – 2e^– = 2Zn²⁺

2H₂O + 2e^– = H₂⁰ + 2OH^–

j(Zn⁰/Zn²⁺) = -0,763 В

j(2H₂O/H₂, OH^–) = -0,414 В

j(Zn⁰/Zn²⁺)<j(2H₂O/H₂, OH^–)Þ реакция возможна

3. Взаимодействует с щелочами:

–    при взаимодействии с водным раствором щелочи образуется комплексная соль цинковой кислоты ( гидроксоцинкат натрия ).

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂­

Zn⁰  – 2e^– = 2Zn²⁺

2H₂O + 2e^– = H₂⁰ + 2OH^–

j(Zn⁰/Zn²⁺) = -0,763 В

j(2H₂O/H₂, OH^–) = -0,414 В

j(Zn⁰/Zn²⁺)<j(2H₂O/H₂, OH^–)Þ реакция возможна

5.   Взаимодействует с кислотами:

–    с соляной кислотой с образованием хлорида цинка:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

2H⁺ + 2e^– = H₂

Zn - 2e^– = Zn²⁺

j(Zn⁰/Zn²⁺) = -0,763 В

j(H⁺/H₂)=0

j(H⁺/H₂)> j(Zn⁰/Zn²⁺)Þ реакция возможна

– с серной кислотой с образование различных веществ в зависимости от концентрации кислоты:

Zn + 2H₂SO_{4 конц.}= ZnSO₄ + SO₂­ + 2H₂O

SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^–® SO₂ + 2H₂O

Zn⁰ - 2e^– = Zn²⁺

j(Zn⁰/Zn²⁺) = -0,763 В

j(SO₄^2-,H⁺/SO₂) = 0,438 В

j_ОК < j_ВОССТ Þ реакция возможна

3Zn + 4H₂SO_{4 разб.} = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O

HSO₄^- + 7H⁺ + 6e^- = S + 4H₂O

Zn⁰ – 2e^- = Zn²⁺

j(Zn⁰/Zn²⁺) = -0,763 В

j(SO₄^-, H⁺/S) = 0,35 В

j_ОК < j_ВОССТ Þ реакция возможна

–    с азотной кислотой с образованием различным веществ в зависимости от концентрации кислоты:

Zn + 4HNO_{3 конц.} = Zn(NO₃)₂ + 2NO₂­ + 2H₂O

Zn⁰ – 2e^- = Zn²⁺

NO₃^- + 2H⁺ + e^- = NO₂ + H₂O

j(Zn⁰/Zn²⁺) = -0,763 В

j(NO₃^-/NO₂) = 0,80 В

j_ОК < j_ВОССТ Þ реакция возможна

4Zn + 10HNO_{3 РАЗБ.} = 4Zn(NO₃)₂ + N₂O­ + 5H₂O

j(Zn⁰/Zn²⁺) = -0,763 В

j(NO₃^-,H/NH₄NO₃) = 0,94 В

j_ОК < j_ВОССТ Þ реакция возможна