Активность электронов в химических реакциях

До сих пор в наших обсуждениях электричества и электрических цепей мы не обсуждали подробно, как работают батареи. Скорее, мы просто предположили, что они производят постоянное напряжение посредством некоего таинственного процесса. Здесь мы в некоторой степени исследуем этот процесс и рассмотрим некоторые практические аспекты, связанные с настоящими батареями и их использованием в энергосистемах.

В первой главе этой книги концепция атома обсуждался как основной строительный блок всех материальных объектов. Атомы, в свою очередь, состоят из еще более мелких кусочков материи, называемых частицами . . Электроны, протоны и нейтроны - это основные типы частиц, встречающиеся в атомах. Каждый из этих типов частиц играет особую роль в поведении атома. В то время как электрическая активность включает движение электронов, химическая идентичность атома (которая в значительной степени определяет, насколько проводящим будет материал) определяется количеством протонов в ядре (в центре).

Протоны в ядре атома чрезвычайно трудно вытеснить, поэтому химическая идентичность атома очень стабильна. Одна из целей древних алхимиков (превратить свинец в золото) была сорвана этой субатомной стабильностью. Все попытки изменить это свойство атома с помощью тепла, света или трения потерпели неудачу. Однако электроны атома вытесняются гораздо легче. Как мы уже видели, трение - это один из способов передачи электронов от одного атома к другому (стекло и шелк, воск и шерсть), а также тепло (генерирование напряжения путем нагрева соединения разнородных металлов, как в случае термопар).

Типы химической связи

Электроны могут делать гораздо больше, чем просто перемещаться между атомами:они также могут служить для соединения различных атомов. Такое соединение атомов электронами называется химической связью . . Грубое (и упрощенное) представление такой связи между двумя атомами может выглядеть так:

Существует несколько типов химических связей, показанная выше представляет собой ковалентную связь, где электроны разделены между атомами. Поскольку химические связи основаны на связях, образованных электронами, сила этих связей зависит от неподвижности образующих их электронов. То есть химические связи могут быть созданы или разорваны теми же силами, которые заставляют электроны двигаться:теплом, светом, трением и т. Д.

Когда атомы соединяются химическими связями, они образуют материалы с уникальными свойствами, известные как молекулы . . Изображение с двумя атомами, показанное выше, является примером простой молекулы, образованной двумя атомами одного типа. Большинство молекул представляют собой объединения атомов разных типов. Даже молекулы, образованные атомами одного типа, могут иметь радикально разные физические свойства. Возьмем, к примеру, элемент углерод:в одной из форм графит атомы углерода соединяются вместе, образуя плоские «пластинки», которые очень легко скользят друг относительно друга, придавая графиту его естественные смазывающие свойства. В другой форме алмаз , одни и те же атомы углерода соединяются вместе в другой конфигурации, на этот раз в форме взаимосвязанных пирамид, образуя материал невероятной твердости. В еще одной форме, фуллерен Десятки атомов углерода образуют каждую молекулу, которая выглядит как футбольный мяч. Молекулы фуллерена очень хрупкие и легкие. Воздушная сажа, образующаяся при сгорании избыточного количества ацетиленового газа (как при первоначальном зажигании кислородно-ацетиленовой сварочной / режущей горелки), содержит множество молекул фуллерена.

Когда алхимикам удалось изменить свойства вещества с помощью тепла, света, трения или смеси с другими веществами, они действительно наблюдали изменения в типах молекул, образованных атомами, разрывающими и образующими связи с другими атомами. Химия является современным аналогом алхимии и в первую очередь занимается изучением свойств этих химических связей и реакций, связанных с ними.

Тип химической связи, представляющий особый интерес для нашего исследования батарей, - это так называемая ионная связь, и она отличается от ковалентной связь в том, что один атом молекулы обладает избытком электронов, в то время как другой атом не имеет электронов, причем связи между ними являются результатом электростатического притяжения между двумя разнородными зарядами.

Когда ионные связи образуются из нейтральных атомов, происходит перенос электронов между положительно и отрицательно заряженными атомами. Атом, который получает избыток электронов, называется восстановленным ; атом с недостатком электронов называется окисленным . Мнемоника, помогающая запомнить определения, - это OIL RIG (окисленное меньше; уменьшенное достигается). Важно отметить, что молекулы часто содержат как ионные, так и ковалентные связи. Гидроксид натрия (щелок, NaOH) имеет ионную связь между атомом натрия (положительным) и гидроксил-ионом (отрицательным). Ион гидроксила имеет ковалентную связь (показана полосой) между атомами водорода и кислорода:

Na + O-H- Натрий теряет только один электрон, поэтому в приведенном выше примере его заряд равен +1. Если атом теряет более одного электрона, результирующий заряд может быть обозначен как +2, +3, +4 и т. Д. Или римской цифрой в скобках, показывающей степень окисления, например (I), (II), ( IV) и т. Д. Некоторые атомы могут иметь несколько степеней окисления, и иногда важно включить степень окисления в молекулярную формулу, чтобы избежать двусмысленности.

Как работает гальванический элемент?

Образование ионов и ионных связей из нейтральных атомов или молекул (или наоборот ) предполагает перенос электронов. Эту передачу электронов можно использовать для генерации электрического тока. Устройство, предназначенное именно для этого, называется гальванический элемент . , или ячейка для краткости, обычно состоящий из двух металлических электродов, погруженных в химическую смесь (называемую электролитом ) разработан для облегчения такой электрохимической реакции (окисления / восстановления):

В обычных «свинцово-кислотных» элементах (которые обычно используются в автомобилях) отрицательный электрод сделан из свинца (Pb), а положительный - из диоксида свинца (IV) (PbO2), оба металлических вещества. Важно отметить, что диоксид свинца является металлическим проводником, в отличие от оксидов других металлов, которые обычно являются изоляторами. (примечание:таблица ниже) Раствор электролита представляет собой разбавленную серную кислоту (H2SO4 + H2O). Если электроды ячейки подключены к внешней цепи, так что электронам есть место для перетекания от одного к другому, атомы свинца (IV) в положительном электроде (PbO2) получат по два электрона каждый, чтобы произвести Pb (II). О. «Остаточные» атомы кислорода соединяются с положительно заряженными ионами водорода (H) + с образованием воды (H2O). Этот поток электронов в электрод из диоксида свинца (PbO2) придает ему положительный электрический заряд. Следовательно, атомы свинца в отрицательном электроде отдают по два электрона каждый с образованием свинца Pb (II), который соединяется с сульфат-ионами (SO4-2), образующимися в результате диссоциации ионов водорода (H +) из серной кислоты (H2SO4) на образуют сульфат свинца (PbSO4). Поток электронов из свинцового электрода придает ему отрицательный электрический заряд. Эти реакции схематически показаны ниже:

Примечание по номенклатуре оксида свинца: Номенклатура оксидов свинца может сбивать с толку. Термин оксид свинца может относиться либо к Pb (II) O, либо к Pb (IV) O2, и правильное соединение может быть определено обычно из контекста. Другими синонимами Pb (IV) O2 являются:диоксид свинца, пероксид свинца, оксид свинца, коричневый оксид свинца и супероксид свинца. Термин «перекись свинца» особенно сбивает с толку, поскольку он подразумевает соединение свинца (II) с двумя атомами кислорода, Pb (II) O2, которого, по-видимому, не существует. К сожалению, термин пероксид свинца сохранился в промышленной литературе. В этом разделе диоксид свинца будет использоваться для обозначения Pb (IV) O2, а оксид свинца будет относиться к Pb (II) O. Степени окисления обычно не отображаются.

Этот процесс, при котором ячейка выдает электрическую энергию для питания нагрузки, называется разрядкой . поскольку он истощает свои внутренние химические запасы. Теоретически, после того, как вся серная кислота будет исчерпана, результатом будут два электрода из сульфата свинца (PbSO4) и раствор электролита из чистой воды (H2O), не оставляя больше емкости для дополнительной ионной связи. В этом состоянии аккумулятор считается полностью разряженным . . В свинцово-кислотном элементе степень заряда можно определить путем анализа силы кислоты. Это легко сделать с помощью устройства, называемого ареометром . , который измеряет удельный вес (плотность) электролита. Серная кислота более плотная, чем вода, поэтому чем больше заряд элемента, тем выше концентрация кислоты и, следовательно, более плотный раствор электролита.

Не существует единой химической реакции, представляющей все гальванические элементы, поэтому любое подробное обсуждение химии обязательно будет иметь ограниченное применение. Важно понимать, что электроны движутся к электродам ячейки и / или от них посредством ионных реакций между молекулами электрода и молекулами электролита. Реакция активируется, когда есть внешний путь для электрического тока, и прекращается, когда этот путь прерывается.

Поскольку мотивация для движения электронов через ячейку носит химический характер, величина напряжения (электродвижущая сила), генерируемая любой ячейкой, будет зависеть от конкретной химической реакции для этого типа ячейки. Например, только что описанный свинцово-кислотный элемент имеет номинальное напряжение 2,04 В на элемент, исходя из полностью «заряженного» элемента (высокая концентрация кислоты) в хорошем физическом состоянии. Существуют и другие типы ячеек с различными выходными напряжениями. Ячейка Эдисона Например, с положительным электродом из оксида никеля, отрицательным электродом из железа и электролитом раствор гидроксида калия (едкое, а не кислотное вещество) генерирует номинальное напряжение всего 1,2 В из-за специфических различий. в химической реакции с этими электродами и электролитическими веществами.

Химические реакции некоторых типов ячеек можно обратить вспять, направив электрический ток обратно через ячейку ( в отрицательный электрод и вне положительный электрод). Этот процесс называется зарядкой . . Любая такая (перезаряжаемая) ячейка называется вторичной ячейкой . . Ячейка, химический состав которой не может быть изменен обратным током, называется первичной ячейкой . .

Когда свинцово-кислотный элемент заряжается от внешнего источника тока, химические реакции, происходящие во время разряда, меняются на противоположные:

ОБЗОР:

• Атомы, связанные электронами, называются молекулами . .
• Ионные связи представляют собой молекулярные союзы, образующиеся, когда атом с недостатком электронов (положительный ион) соединяется с атомом с избытком электронов (отрицательный ион).
• Электрохимические реакции включают перенос электронов между атомами. Эта передача может быть использована для образования электрического тока.
• ячейка представляет собой устройство, позволяющее использовать такие химические реакции для генерации электрического тока.
• Элемент называется разряженным . когда его внутренние химические запасы были исчерпаны в результате использования.
• второстепенный химический состав клетки можно изменить (перезарядить), заставив ток проходить через нее в обратном направлении.
• первичный аккумулятор практически не заряжается.
• Заряд свинцово-кислотных элементов можно оценить с помощью прибора, называемого ареометром . , который измеряет плотность жидкого электролита. Чем плотнее электролит, тем выше концентрация кислоты и тем выше уровень заряда элемента.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист атомарной структуры