Номер 9, страница 235 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 6. Окислительно-восстановительные процессы. Параграф 32. Химические источники тока - номер 9, страница 235.

Условие.

9. Выполните учебно-исследовательский проект на тему «Прошлое, настоящее и будущее гальванических элементов».

Решение.

Решение 2.

Учебно-исследовательский проект на тему «Прошлое, настоящее и будущее гальванических элементов» рассматривает эволюцию химических источников тока от момента их открытия до перспективных разработок, которые могут изменить мир энергетики.

Прошлое гальванических элементов

История гальванических элементов начинается в конце XVIII века с экспериментов итальянского врача и физика Луиджи Гальвани. В 1780-х годах он обнаружил, что мышцы препарированной лягушки сокращаются при контакте с двумя разными металлами. Гальвани ошибочно предположил, что источником электричества является сама животная ткань, назвав это явление «животным электричеством».

Его соотечественник, физик Алессандро Вольта, усомнился в этой теории и предположил, что электрический ток возникает из-за контакта двух разнородных металлов через проводящую жидкость (электролит). Чтобы доказать свою правоту, в 1800 году Вольта создал первое в мире химическое устройство для получения электрического тока — «вольтов столб». Он состоял из наложенных друг на друга пар цинковых и медных (или серебряных) дисков, разделенных тканью, смоченной в соленой воде или кислоте. Это изобретение стало первым гальваническим элементом и, по сути, первой батареей.

В XIX веке были сделаны важные усовершенствования:

• Элемент Даниэля (1836 г.): Английский химик Джон Фредерик Даниэль создал более надежный и стабильный источник тока. Он состоял из цинкового анода, опущенного в раствор сульфата цинка ($ZnSO_4$), и медного катода в растворе сульфата меди ($CuSO_4$), разделенных пористой перегородкой. Этот элемент давал стабильное напряжение около 1.1 В. Протекающие в нем реакции:
  На аноде (-): $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-$
  На катоде (+): $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$
• Элемент Лекланше (1866 г.): Французский инженер Жорж Лекланше изобрел элемент, ставший прототипом современных «сухих» батареек. Он использовал цинковый стаканчик в качестве анода и отрицательного полюса, угольный стержень в смеси диоксида марганца ($MnO_2$) в качестве катода и раствор хлорида аммония ($NH_4Cl$) в качестве электролита.
• Сухой элемент (1886 г.): Немецкий изобретатель Карл Гасснер усовершенствовал элемент Лекланше, сделав электролит пастообразным. Это позволило создать герметичный, не требующий обслуживания и портативный источник питания, что открыло дорогу для массового производства батареек.

Ответ: Прошлое гальванических элементов — это эпоха фундаментальных открытий, от случайного наблюдения Гальвани до создания Вольтой первого источника тока и его последующих усовершенствований (элементы Даниэля, Лекланше), которые заложили основу для разработки портативных источников энергии.

Настоящее гальванических элементов

В настоящее время гальванические элементы делятся на два основных типа: первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые, или аккумуляторы). Они являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

Первичные элементы:

• Солевые (цинково-углеродные) батарейки: Являются современным вариантом элемента Лекланше. Они недороги, но имеют невысокую емкость, плохо работают при низких температурах и склонны к протеканию электролита. Используются в устройствах с низким энергопотреблением, таких как пульты ДУ и настенные часы.
• Щелочные (алкалиновые) батарейки: Наиболее распространенный тип одноразовых батареек. В них используется тот же цинковый анод и катод из диоксида марганца, но электролитом служит щелочь (гидроксид калия, $KOH$). Они обладают значительно большей емкостью, сроком хранения и лучше работают при высоких нагрузках и низких температурах по сравнению с солевыми.

Вторичные элементы (аккумуляторы):

• Свинцово-кислотные: Изобретенные еще в 1859 году, они до сих пор широко используются в автомобилях для запуска двигателя, а также в источниках бесперебойного питания. Они дешевы и способны отдавать большие токи, но очень тяжелые и содержат токсичные свинец и серную кислоту.
• Никель-металлгидридные (Ni-MH): Пришли на смену токсичным никель-кадмиевым (Ni-Cd) аккумуляторам. Обладают большей емкостью и менее выраженным «эффектом памяти». Широко применялись в бытовой электронике и первых гибридных автомобилях.
• Литий-ионные (Li-ion): Технология, доминирующая сегодня в портативной электронике (смартфоны, ноутбуки) и электромобилях. Их ключевые преимущества — высокая удельная энергоемкость (много энергии на единицу массы), отсутствие «эффекта памяти» и низкий саморазряд. Типичный Li-ion аккумулятор состоит из графитового анода, катода на основе оксидов лития (например, кобальтат лития $LiCoO_2$ или литий-железо-фосфат $LiFePO_4$) и электролита, содержащего соли лития в органическом растворителе.
• Литий-полимерные (Li-Po): Разновидность Li-ion аккумуляторов, в которых используется твердый или гелеобразный полимерный электролит. Это позволяет создавать аккумуляторы очень тонких и гибких форм.

Ответ: Настоящее гальванических элементов характеризуется доминированием щелочных батареек для одноразового использования и литий-ионной технологии в сфере перезаряжаемых источников питания, которая обеспечивает энергией подавляющее большинство современных мобильных устройств и электромобилей благодаря своей высокой энергоэффективности.

Будущее гальванических элементов

Будущее химических источников тока связано с решением ключевых проблем современности: увеличением энергоемкости, повышением безопасности, снижением стоимости и минимизацией вреда для окружающей среды. Исследования ведутся в нескольких направлениях.

Совершенствование литий-ионных технологий:

• Твердотельные аккумуляторы: Замена жидкого органического электролита на твердый (керамический или полимерный) позволит значительно повысить безопасность (исключив риск возгорания), увеличить удельную энергоемкость и срок службы аккумуляторов.
• Кремниевые аноды: Замена графита в аноде на кремний теоретически может увеличить емкость аккумулятора в 10 раз. Основная проблема — сильное расширение кремния при зарядке, что разрушает электрод. Ученые работают над созданием наноструктурированных кремниевых анодов для решения этой проблемы.

Технологии «постлитиевой» эры:

• Натрий-ионные аккумуляторы: Натрий гораздо более распространен и дешев, чем литий. Хотя натрий-ионные аккумуляторы уступают литий-ионным по энергоемкости, они могут стать идеальным решением для стационарных систем хранения энергии (например, для солнечных и ветряных электростанций), где масса не так важна, как стоимость.
• Литий-серные (Li-S) аккумуляторы: Обладают теоретической удельной энергоемкостью в 5 раз выше, чем у Li-ion. Сера — дешевый и доступный материал. Главные препятствия — низкая электропроводность серы и быстрая деградация катода из-за так называемого «полисульфидного челнока».
• Металл-воздушные аккумуляторы (литий-воздушные, цинк-воздушные): Эти системы используют кислород из атмосферы в качестве окислителя на катоде, что позволяет достичь колоссальной теоретической энергоемкости, сравнимой с бензином. Однако пока они сталкиваются с проблемами низкой эффективности и короткого срока службы.

Важнейшим аспектом будущего является также развитие технологий переработки отработавших аккумуляторов для извлечения ценных металлов (лития, кобальта, никеля) и снижения экологической нагрузки.

Ответ: Будущее гальванических элементов направлено на создание более безопасных, емких и экологичных источников энергии, где ключевыми направлениями исследований являются твердотельные аккумуляторы, новые материалы для электродов (например, кремний) и перспективные «постлитиевые» системы, такие как натрий-ионные и металл-воздушные батареи.