Железный гальванический элемент
Вольтов столб позволил совершить множество открытий, но для практического применения он абсолютно не пригоден. Первым практически значимым гальваническим элементом стал элемент Даниэля-Якоби и его многочисленные модификации, дающие стабильное напряжение около 1.1В. Позже был разработан цинково-марганцевый элемент Лекланше, сначала в жидкостном, а затем и в сухом варианте, доживший до наших дней как солевые и щелочные батарейки. Подобные элементы хорошо подходят для питания телеграфов, звонков и осуществления электрохимических процессов типа гальваностегии или гальванопластики.
В тех же областях, где были необходимы более серьезные токи, почти повсеместно использовались элементы Грове или Бунзена (цинк-азотнокислотные), или Поггендорфа (цинк-хромовый). Использование сильных окислителей – азотной или хромовой кислоты — как деполяризатора позволяло получать высокую разность потенциала (1,9-2,1В), а низкое внутреннее сопротивление – высокие токи разряда.
Попаданцу, скорей всего, цинк окажется недоступным (хотя, если удастся найти цинковые руды, сам процесс выплавки осуществить достаточно просто), поэтому придется ориентироваться на более распространенные материалы. Основная проблема, с которой столкнется попаданец при попытке соорудить гальванические элементы на железе – это получение самого железа в подходящей форме. Кричное железо, а тем более чугун малоприменимы из-за своей неоднородности – шлаковые включения сильно повышают сопротивление и мешают контакту металла с электролитом, а участки с разным содержанием углерода (тем более вкрапления угля или графита) будут создавать локальные гальванические пары, поэтому значительная часть железа будет расходоваться на саморазряд, а не на совершение полезной работы во внешней цепи. Лучше всего использовать губчатое железо, получаемое восстановлением оксидов железа генераторным газом (CO), однако над конструкцией печи нужно будет хорошо подумать.
Если заменить цинк в элементе Даниэля на железо, меньший восстановительный потенциал пары Fe(0)/Fe(2+) приведет к снижению ЭДС до 0,7 В, при этом все недостатки останутся, в первую очередь необходимость эффективного разделения анодного и катодного электролитов и увеличение из-за этого внутреннего сопротивления. А вот в щелочном варианте медь-железный элемент выглядит гораздо привлекательней. В таком элементе железный анод будет окисляться до Fe(OH)2 (как в железо-никелевом аккумуляторе), а на катоде будет происходить восстановление оксида меди CuO до металлической меди (аналогичный анод использовался в медь-цинковом элементе Эдисона-Лаланда). ЭДС такого элемента будет несколько ниже, около 0.6В, но низкое сопротивление ячейки, в которой нет диафрагмы, и высокая проводимость катода, в ходе разряда превращающегосяся в металлическую медь, позволят получать высокие значения силы тока. После разряда медный катод легко регенерировать обжигом на воздухе, при котором пористая медь окислится до оксида.
Еще более интересный для попаданца вариант — это железо-железный элемент, в котором на аноде протекает окисление металлического железа до ионов железа (II), а на катоде — восстановление железа (III) в железо (II), т.е., деполяризатором является трехвалентное железо. ЭДС такого элемента — около 1.2 В, а использование растворимого деполяризатора позволяет получать приличную силу тока (в последние годы железо-железный элемент рассматривается как дешевая система для буферного хранения энергии, однако полной обратимости железного анода пока достичь не удается).
Конструктивно такой элемент тоже очень прост — железо можно поместить в пористый керамический сосуд и добавлять по мере расходования, а сам керамический сосуд — в емкость большего размера с раствором соли железа (III) и кусками графита или кокса. Диффузия катодного раствора в область анода не приведет к нарушению работы элемента (как случается в элементе Даниэля, когда на цинковом электроде осаждается медь, вызывая постоянный саморазряд), а лишь вызовет расход небольшой части железа для восстановления ионов железа (III), поэтому пористый сосуд можно сделать очень тонким, что существенно снизит внутреннее сопротивление. Пространство между внешним и внутренним сосудом останется заполнить кусками графита или кокса в качестве инертного электрода. В качестве соли трехвалентного железа можно использовать или хлорид, или сульфат. Последний очень доступен — он получается при выветривании железного колчедана, при обжиге пирита с солью, при растворении оксида железа (III) (например, гематита) в серной кислоте, или просто при окислении раствора железного купороса кислородом воздуха. В этом случае цикл вообще можно замкнуть, поскольку купорос и получается в ходе работы элемента.
Источник: Попаданцев.Нет
