Перейти к публикации
Форум химиков на XuMuK.ru

Щелочной марганцево-цинковый элемент. Контактная разность потенциалов. Манганаты.


Рекомендованные сообщения

Решение задач, рефераты, курсовые - онлайн сервис помощи учащимся. Цены в 2-3 раза ниже!

Помогите разобраться в нескольких вопросах касательно химических процессов протекающих в казалось бы банальной щелочной цинковой батарейке.

На аноде проходят реакции окисления цинка. Вначале образуется гидроксид цинка:

Zn + 2OH → Zn(OH)2 + 2e

Который затем разлагается на оксид цинка и воду.

Zn(OH)2 → ZnO + H2O

На катоде, в свою очередь, происходят реакции восстановления оксида марганца (IV) в оксид марганца (III):

2MnO2 + H2O + 2e → Mn2O3 + 2OH

В целом, химические процессы внутри элемента при использовании KOH в качестве электролита можно описать следующим уравнением:

Zn + 2KOH + 2MnO2 + 2e → 2e + ZnO + 2KOH + Mn2O3

Тут все понятно вроде.

Заканчивается цинк и ЭДС будет 0.

Но хоть на батарейке и пишут не заражать. Естественно попробовать зарядить хочется. Если заряжать недолго и не сильным током, то зарядка происходить и даже до какой-то емкости его можно использовать повторно.

Тут тоже все ясно. Процессы идут в обратном направлении.

 

Если бы не одно но, разрядить потом эту батарейку в ноль не получается. Даже будучи пролежавшей короткозамкнутой несколько дней, она все равно выдает напряжение 0,45 В. После короткого замыкания потенциал восстанавливается до 0,18-0,20 В. А через несколько часов до 0,45 В.

При коротком замыкании - сила тока от 15 мА до 0,5 мА. При этом значения эти не меняются. А сила тока в момент замыкания не максимальна, а вначале увеличивается, а потом падает.

Какие процессы могут идти в такой батарейке?

Возможно ли при зарядке образование солей марганца в щелочной среде K2MnO4 и КMnO4?

 

Изменено пользователем Анатолий Алтухов
дополнение
Ссылка на сообщение

Предполагаю следующую цепочку реакций, которые могли произойти:

При зарядке батарейки в щелочной среде, так как электролит - гидроксид калия KOH из диоксида марганца MnO2 на веществе анода образовался перманганат калия KMnO4

Анод: MnO2 + OH- +KOH = KMnO4 + H2

Катод: H2 + ZnO = Zn + H2O

 

Далее перманганат калия диффундировал к цинковому электроду и вызвал его пассивацию восстановившись на нем до диоксида марганца и покрыл его этой оксидной пленкой:

Zn + KMnO4 + OH- = ZnO+ MnO2 +KOH

При этом пленка из диоксида марганца покрыла цинк и защитила его от дальнейшего окисления.

Часть перманганата калия прореагировала с Mn2O3 из матерала анода восстановившись до манганата калия:

Mn2O + 2KMnO4 = K2MnO4 + 3MnO2

 

При замыкании катода и анода: цинка на нержавеющую сталь между ними возникает контактная разность потенциалов, которая приводит к электролизу манганата калия до перманганата (реакция эндотермическая).

K2MnO4 + 3MnO2 = Mn2O + 2KMnO4

При размыкании контактов - перманганат диффундирует к аноду и окисляет Mn2O3   до MnO2 восстанавливаясь до манганата (реакция экзотермическая):

Mn2O + 2KMnO4 = K2MnO4 + 3MnO2

По итогу получаем напряжение от 0,45 до 0,18 В и ток от 15 до 0,5 мА по первой реакции.

На батарея должна отдохнуть, чтобы успела пройти реакция восстановления перманганата до манганата.

Мне напоминает аналог ячейки Василеску Карена Karpen pile.

 

Ссылка на сообщение
6 минут назад, Анатолий Алтухов сказал:

Контактная разность потенциалов цинкового катода и анода из нержавеющей стали будет равна 0.75 В

unnamed.jpg

Этого напряжения вполне должно хватить, чтобы происходил электролиз манганата калия с образованием перманганата, так как напряжение прямой реакции восстановления перманганата до манганата ниже 0,75 В.

20200409_140719.jpg

Ссылка на сообщение

Заряжали мы как-то композитный электрод, состоящий из MnO2, углеродной сажи и птфе, в щелочной среде (7 М КОН). Ток точно сказать не могу, давно было. Но что могу с уверенностью сказать: на электроде существенно выделялся кислород, прям кипел, а само околоэлектродное пространство постепенно окрашивалось в зеленый цвет, сами понимаете что это значит. 

Насчет перезаряда элементов Лекланше встречал у Багоцкого (Химические источники тока). Оказывается там во всем виноват Mn(OH)2, который частично образуется при разряде (особенно при глубоком), проводимость и реакционная способность которого в разы ниже MnO2 и Mn2O3. 

  • Like 1
Ссылка на сообщение
4 часа назад, FixMe сказал:

Заряжали мы как-то композитный электрод, состоящий из MnO2, углеродной сажи и птфе, в щелочной среде (7 М КОН). Ток точно сказать не могу, давно было. Но что могу с уверенностью сказать: на электроде существенно выделялся кислород, прям кипел, а само околоэлектродное пространство постепенно окрашивалось в зеленый цвет, сами понимаете что это значит. 

Насчет перезаряда элементов Лекланше встречал у Багоцкого (Химические источники тока). Оказывается там во всем виноват Mn(OH)2, который частично образуется при разряде (особенно при глубоком), проводимость и реакционная способность которого в разы ниже MnO2 и Mn2O3. 

Верно ли я понимаю, что для электролиза K2MnO4 достаточно всего 0,464 В? И на выходе получится K2MnO4?  И что реакция эндотермическая и раствор будет охлаждаться?

Возможно ли образование на цинке и нержавеющей стали в щелочных растворах оксидной пленки из MnO2? 

При контакте электродов из цинка и железа по внешней цепи вне раствора между ними возникает контактная разность потенциалов +0,75 В.

По сути в растворе электроды образуют конденсатор, который должен зарядиться до этого напряжения. Но так как для протекания окислительно восстановительной реакции электролиза манганата до перманганата необходимо 0,464 В, то равновесия не наступает и элемент должен выдавать порядка 0,75-0,464= 0,286 В до момента окисления всего манганата до перманганата в области цинкового электрода.

При прерывании контакта контактная разность потенциалов исчезает и перманганат диффундирует к стальному электроду где самопроизвольно восстанавливается опять до манганата окисляя Mn(OH)2 до Мn(OH)3. Реакция эта эндотермическая. Возможно ли это?

Ссылка на сообщение
Wednesday, April 08, 2020 в 17:35, Анатолий Алтухов сказал:

 

Какие процессы могут идти в такой батарейке?

Возможно ли при зарядке образование солей марганца в щелочной среде K2MnO4 и КMnO4?

 

Вы упускаете важный момент - при зарядке батарейки окисляется и теряет проводимость входящий в состав катодной массы графит ,из за этого необратимо изменяются свойства этой массы. Все остально

в данном случае второстепенно.

  • Like 1
Ссылка на сообщение

А с чего это гидроксид цинка будет в батарейке разлагаться до оксида? Его для этого нужно как следует прогреть. Гидроксид цинка будет в щелочной среде образовывать цинкат [Zn(OH)4]2-,  так что окислившийся цинк будет плавать в виде аниона. При "перезарядке" будет окисляться Mn2O3, причем вряд ли глубже чем до MnO2, поскольку и графит может окисляться, и загуститель, а это крахмал или ПВС. Манганат  с органикой не уживется. В общем, батарейка будет слегка подзаряжаться за счет окисления марганца до MnO2 и будет работать, пока не окислится весь цинк :)

  • Like 1
Ссылка на сообщение

Мнения разделились. :al: Жаль, что корпус батарейки не прозрачен и нельзя увидеть цвет электролита.

Хорошо, если убрать органику и диоксид марганца совсем.

Берем цинковый электрод и железный, погружаем в щелочной раствор перманганата калия без соприкосновения их друг с другом.

Какие реакции будут происходить?

 

Ссылка на сообщение

Спасибо за приглашение, но тут я вам врядли помогу. Для понимания процессов проходящих в батарейки мало химических процессов. Посмотрите что такое столб Замбони.

Ссылка на сообщение

Создайте аккаунт или войдите в него для комментирования

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать аккаунт

Зарегистрируйтесь для получения аккаунта. Это просто!

Зарегистрировать аккаунт

Войти

Уже зарегистрированы? Войдите здесь.

Войти сейчас
  • Сейчас на странице   0 пользователей

    Нет пользователей, просматривающих эту страницу.

×
×
  • Создать...
Яндекс.Метрика