Химический источник тока

(51) 01 4/00 (2006.01) 01 4/06 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ качестве электролита серная кислота, содержащая двух- и трехвалентные ионы железа. Поставленная техническая задача достигается методом восстановления ионов трехвалентного железа на графитовом электроде и обратного окисления последнего на поверхности нерастворимого свинцового электрода, покрытого сульфатом свинца до трехвалентного. Это осуществляется путем погружения в раствор серной кислоты с концентрацией 100 г/л, содержащей 10 г/л железа , 10 г/л железасвинцовые и графитовые электроды. Межэлектродные пространства не разделяют. При комнатной температуре величина электродвижущей силы (Е) источника тока свинец-графит в отсутствии внешнего нагрева составляет 471 мВ, и с течением времени практически не изменяется.(72) Баешов Абдуали Баешович Мусина Зухра Маликовна Баешова Ажар Коспановна Абдувалиева Умида Абдрахмановна(73) Акционерное общество Институт органического катализа и электрохимии им. Д.В. Сокольского(57) Изобретение относится к области электрохимии, в частности к химическим источникам тока. Техническим результатом является повышение срока службы работы химического источника тока. Это достигается тем, что в качестве отрицательного электрода используют свинцовый электрод, а в Настоящее изобретение относится к области электрохимической энергетики и, в частности к химическим источникам тока, которые служат для превращения энергии химических реакций,протекающих на электродах, в электрическую. Роль автономных химических источников тока в современной технике и в быту чрезвычайно велика,т.к. в настоящее время химические источники тока стали привычным атрибутом современной цивилизации и применяются в самых разнообразных устройствах - от бытовых приборов, средств связи,вычислительной техники, фото- и видеоустройств, а также до медицинских имплантантов и космических аппаратов. Прототипом данного изобретения является железо-графитовый гальванический элемент/Баешов А. И др. Инновационный патент РК 26304 от 15.11.2011, (бюл. 10, 2012,Химический источник тока/. Сущность известного изобретения заключается в следующем химический источник тока состоит из железного и графитового электродов, погруженных в раствор хлорида аммония, содержащий ионы железа. Железо растворяется с образованием двухвалентных ионов и является отрицательным электродом, а на графитовом электроде ионы трехвалентного железа, имеющиеся в растворе,восстанавливаются до двухвалентного состояния. Основными недостатками прототипа являются следующие обстоятельства- железо, служащее как отрицательный электрод химического источника тока подвергается растворению, в этой связи срок службы такой системы носит ограниченный характер- используется дорогой и дефицитный реагент хлорид аммония, который не производится в нашей стране. Задачей предлагаемого изобретения является получение химического источника тока с использованием в качестве электродов нерастворимых материалов. Техническим результатом является повышение срока службы работы химического источника тока. Техническое решение достигается тем, что в качестве отрицательного электрода используют свинцовый электрод, а в качестве электролита серную кислоту,содержащую двухи трехвалентные ионы железа. При работе предлагаемого источника тока, ни свинцовый электрод, ни графитовый электрод не растворяются. Следует упомянуть, что во всем мире в сернокислом растворе в качестве нерастворимого анода используют свинцовые электроды. в сернокислом растворе в качестве нерастворимого анода используют свинцовые электроды. На графитовом электроде устанавливается потенциал,обусловленный окислительновосстановительной системой 2 - 3, и его величина в стандартных условиях равна 0,77 В 3 - е 2 Е 00,77 В(1) При погружении свинцового электрода в раствор серной кислоты, он покрывается малорастворимой 2 пленкой сульфата свинца , который имеет очень низкое произведение растворимости(2) Стандартный потенциал данной системы составляет 0,356 В и в этом случае формируется электрод второго рода. Таким образом, при погружении свинцового и графитового электродов в сернокислый раствор,содержащий ионы трехвалентного и двухвалентного железа устанавливается нижеуказанная гальваническая пара химического источника тока 24,2, 3 С(3) Ниже приводится величина электродвижущей силы данной химического источника тока в стандартных условиях Е- 0,3560,7711,27 В(4) На графитовом электроде, имеющем более положительный потенциал, может протекать единственная реакция 5 восстановления трехвалентных ионов железа до двухвалентного состояния 3 е 2(5) На свинцовом электроде, который является отрицательным электродом, могут протекать реакция 2 и следующие окислительные реакции Согласно термодинамическим данным на отрицательном свинцовом электроде гальванической пары химического источника тока, в первую очередь, будет протекать окисление свинца по реакции 2, т.е. по всей поверхности свинцового электрода, поверхность практически полностью покрывается тонкой пленкой 4, далее реакция с незначительной скоростью может протекать через поры и постепенно прекращается. Окисление свинца или сульфата свинца до диоксида свинца по реакции 7 практически невозможно, т.к. эта реакция протекает при очень высоких анодных потенциалах. В этой связи, на поверхности свинца, покрытого сульфатом свинца,будут окисляться ионы двухвалентного железа до трехвалентного по реакции 6. Таким образом, в предложенном химическом источнике тока основными электродными реакциями являются - восстановление ионов трехвалентного железа на графитовом электроде по реакции 5 и обратное окисление последнего на поверхности нерастворимого свинцового электрода,покрытого сульфатом свинца до трехвалентного по реакции 6. В этой связи, при низких плотностях тока на электродах, химический источник тока будет работать достаточно долго, т.к. на одном электроде ионы железа окисляются,а на другом восстанавливаются. Вес графитового и свинцового электродов не уменьшается. Принципиальная схема системы свинецграфит химического источника тока приведена на фиг.1. Нижеуказанные примеры иллюстрируют сущность заявляемого изобретения. Пример 1. Емкость объемом 0,07 л заполняют раствором 100 г/л серной кислоты, содержащей 10 г/л железа , 10 г/л железаи далее помещают в него свинцовые и графитовые электроды. Межэлектродные пространства не разделяют. При комнатной температуре величина электродвижущей силы (Е) химического источника тока системы - свинец- графит, в отсутствии внешнего нагрева после 0,5 суток, составляет 471 мВ, и с течением времени практически не изменяется. В таблице 1 приводятся величины изменения электродвижущей силы(Е) при внешнем сопротивлении 10000 Ом в зависимости от продолжительности. Таблица 1 Изменение величины электродвижущей силы (Е) и тока при внешнем сопротивлении 10000 Ом в зависимости от продолжительности 24 - 100 г/л- 10 г/л- 10 г/л 20 С Как видно из таблицы, с течением времени величина Е и величина тока в цепи не изменяются при продолжительности 15 суток, также без изменения остается и вес электродов. Пример 2. При электролизе в качестве анода используют графитовый электрод, катода специально приготовленный свинцово - графитовый электрод. Катодный материал предлагаемого химического источника тока готовят следующим образом тщательно измельчают 10 г сульфата свинца и 10 г графита до образования однородной массы. Образованные порошки перемешивают в соотношении 11. Полученную массу помещают в специально приготовленную цилиндрическую форму общим объемом 1,96 см 3 и прессуют. Полученный электрод высушивают при комнатной температуре в течении суток. Для проведения электролиза берут 0,1 л раствора серной кислоты с концентрацией 100 г/л, содержащей 10 г/л железа, 10 г/л железа . Межэлектродные пространства не разделяют. При комнатной температуре величина электродвижущей силы (Е) источника тока сульфат свинца - графит в отсутствии внешней нагрузки, составляет при 1 сутках - 30 мВ и с течением времени на 6 - сутки понижается до 6 мВ. В таблице 2 приводятся данные по изменению электродвижущей силы (Е) и тока без внешнего сопротивления в зависимости от продолжительности. Таблица 2 Изменение величины электродвижущей силы (Е) и тока без внешнего сопротивления в зависимости от продолжительности времени 4 - С (11), 24 - 100 г/л- 10 г/л- 10 г/л 20 С Таким образом, предлагаемый химический источник тока - свинец- графит имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом 1) Используются нерастворимые электроды в сернокислой среде на электродах протекает циклическая реакция окисления и восстановления ионов двухвалентного и трехвалентного железа. Такие химические источники тока могут непрерывно работать в течении десятки лет. 2) В качестве электролита используется доступный и дешевый раствор серной кислоты. Серная кислота производится в нашей республике в большом количестве. Ее получают из выбросов газов производства металлургии цветных металлов,а также из сера-отходов, которые накапливаются в нашей стране в очень большом количестве при переработке нефти и газов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Химический источник тока с использованием графитового электрода и водного раствора ионов железа, отличающийся тем, что в качестве второго электрода используют свинцовый электрод,погруженный в раствор серной кислоты,содержащий ионы двух- и трехвалентного железа.