Generarea chimica a curentului electric

Generarea chimica a curentului electric

In afara de interesul academic pentru conversia energiei chimice in energie electrica, exista numeroase aplicatii practice ale acestui fenomen. Pilele electrochimice sunt surse de current continuu si sunt utilizate in prezent in diferite domenii de activitate. Transformarea directa a energiei chimice in energie electrica, in comparatie cu alte metode, are numeroase avantaje care decurg atat din randamentele superioare ale conversiei cat si din reducerea poluarii. Principalele caracteristici tehnice ale unei pile electrochimice sunt: tensiunea electromotoare in gol, rezistenta interna (dependenta de procesele de polarizare), cantitatea totala de electricitate pe care o poate furniza ("capacitatea" pilei), energia specifica (energia totala disponibila raportata la masa) etc.

Exista numeroase variante de constructie a unei pile electrochimice, care pot fi grupate in trei categorii:

1. Pilele electrochimice primare in care reactia globala este "ireversibila". Aceasta caracteristica se refera la faptul ca, dupa debitarea curentului ca urmare a reactiilor electrochimice, produsii de reactie nu mai pot fi reconvertiti in reactantii initiali prin trecerea

unui curent in sens invers (electroliza). Energia electrica este rezultatul conversiei unei cantitati fixe de reactanti. Prima pila electrochimica primara a fost construita de catre Volta. Aceasta consta intr-un ansamblu de doi electrozi , unul din cupru si celalalt din zinc, imersati intr-o solutie apoasa acidulata cu acid sulfuric. La debitarea curentului electric intr-un circuit inchis, reactiile la electrod sunt urmatoarele:

la catod (+): 2H⁺(aq) + 2e^- = H₂(g)

la anod (-): Zn(s) = Zn⁺²(aq) + 2e^-

In afara meritului sau istoric, de a fi aratat posibilitatea conversiei energiei chimice in energie electrica, o astfel de pila are numeroase dezavantaje practice legate de gabarit, de utilizarea solutiilor acide etc. Pe acelasi principiu se bazeaza o serie de alte pile "uscate", cum este pila Leclanch, reprezentata prin urmatorul lant electrochimic:

(-) Zn½ZnCl₂, NH₄Cl, gel½MnO₂, C_(grafit) (+)

In prezent sunt utilizate numeroase pile de acest tip, cu capacitati si energii specifice mai mari si cu efecte poluante mai mici.

2. Pile electrochimice secundare sau acumulatori in care reactia globala este reversibila. Aceasta caracteristica se refera la faptul ca, dupa debitarea curentului ca urmare a reactiilor electrochimice, produsii de reactie pot fi reconvertiti in reactantii initiali prin trecerea unui curent in sens invers (electroliza). Acumulatorii pot fi utilizati intr-un numar foarte mare de cicluri incarcare / descarcare. Dupa caracterul acido / bazic al electrolitului, acumulatorii pot fi acizi sau bazici. Cel mai cunoscut acumulator acid este cel cu plumb in care anodul este un aliaj de plumb, catodul este format dintr-un strat de PbO₂ depus pe un suport de plumb, iar electrolitul este o solutie apoasa de acid sulfuric. Reactiile globale la electrozi sunt:

Acumulatorii alcalini folosesc ca electrolit o solutie de hidroxid alcalin, iar ca electrozi diferite cupluri de metale ca Fe-Ni, Cd-Ni, Zn-Ag sau compusi ai acestora si au energii specifice, timpi de viata si robustete mai mari decat cei acizi.

3. Pile de combustie in care energia electrica este obtinuta prin reactii chimice in sistem deschis (reactantii - combustibilul si oxidantul - fiind alimentati in mod continuu, iar produsii de reactie fiind evacuati de asemenea in mod continuu). In prezent se utilizeaza un mare numar de combustibili (hidrogenul, metanolul, hidrazina, hidrocarburile). Oxidantul este fie oxigenul ca atare, fie cel din aer. Pila de combustie cu hidrogen este frecvent utilizata pe navele spatiale si pe unele tipuri de submarine. Ea este redata schematic in Figura 10.

Figura 10. Schita unei pile de combustie cu H₂ si O₂

In urma reactiei de oxidare a combustibilului (hidrogenul) si de reducere a oxidantului (oxigenul), intre cei doi electrozi apare o diferenta de potential. Oxidarea are loc la anod, care devine negativ, iar reducerea are loc la catod, care devine pozitiv. Cei doi electrozi sunt porosi (de exemplu catodul este din Ni sau din aliaje Ni-Ag, iar anodul din negru de platina sau din paladiu), iar electrolitul este un material ceramic, o solutie alcalina, o membrana schimbatoare de protoni etc. Electrolitul joaca un rol cheie, permitand trecerea intre anod si catod numai a anumitor componenti. Electrozii sunt in acelasi timp si catalizatori pentru reactiile:

Conectarea celor doi electrozi in circuitul extern cu o rezistenta de sarcina conduce la conversia energiei chimice direct in energie electrica.

Utilizarea pilelor de combustie cunoaste o dezvoltare continua datorita randamentelor de 2 - 3 ori mai mari decat ale motoarelor cu combustie interna, la care se adauga avantajele aduse de reducerea drastica a poluarii.