Как батареи преобразуют химию в электричество

В то время как предыдущие главы вводили атом и его составные частицы — электроны, протоны и нейтроны — этот раздел погружается в практическую сторону батарей. Мы исследуем химию, превращающую химическую энергию в электрическую, и рассматриваем реальные соображения для систем питания.

Электроны — активные агенты в электрической активности, но химическая идентичность атома — и, следовательно, его проводимость — управляется числом протонов в ядре. Протоны крепко связаны, делая элементарную идентичность атома удивительно стабильной. В противовес, электроны могут быть смещены легче, позволяя трению-индуцированному зарядопереносу (например, стекло и шелк) или термическим эффектам, таким как генерация термоэлектрического напряжения.

Типы химических связей

Электроны не только перемещаются между атомами; они также посредствуют связи, удерживающие атомы вместе. Эти химические связи дают жизнь молекулам с уникальными физическими свойствами. Наиболее распространенные типы связей — ковалентные и ионные:

• Ковалентная связь: электроны делятся между атомами. Например, простая молекула двух идентичных атомов показывает разделяемую электронную плотность.
• Ионная связь: один атом отдает электроны, становясь положительно заряженным, в то время как другой принимает электроны, становясь отрицательно заряженным. Электростатическое притяжение удерживает ионы вместе.

В реальности молекулы часто содержат смесь ковалентного и ионного характера, как проиллюстрировано гидроксидом натрия (NaOH). Ион Na⁺ формирует ионную связь с гидроксид-ионом, в то время как пара O–H внутри гидроксида ковалентно связана.

Атомные степени окисления указываются суперскриптами или римскими цифрами (например, Pb²⁺, Fe³⁺). Знание степени окисления проясняет, какие атомы восстанавливаются или окисляются во время реакции. Мнемоника OIL RIG (Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain) помогает помнить, что окисляющиеся виды теряют электроны, а восстанавливающиеся — приобретают электроны.

Как работает вольтаический элемент

Вольтаический элемент — или просто элемент — конвертирует движение электронов во время оксидо-восстановительных реакций в используемый электрический ток. Типичная конфигурация включает два металлических электрода, погруженных в электролит, облегчающий ионный транспорт. Когда электроды соединяются внешне, электроны текут от анода к катоду, генерируя ток.

Рассмотрим свинцово-кислотную батарею, повсеместно используемую в автомобилях. Отрицательный электрод — металлический свинец (Pb), а положительный — диоксид свинца (IV) (PbO₂). Электролит — разбавленный раствор серной кислоты (H₂SO₄). Во время разряда PbO₂ на катоде принимает электроны, образуя PbO, в то время как вода генерируется из H⁺ и O²⁻. Одновременно Pb на аноде отдает электроны, образуя PbSO₄, который комбинируется с сульфат-ионами в электролите. Общее напряжение элемента составляет приблизительно 2,04 В при полностью заряженных, оптимальных условиях.

Примечание по номенклатуре: В химии свинца PbO относится к оксиду свинца (II), тогда как PbO₂ (часто называемый диоксидом свинца или плумбическим оксидом) обозначает оксид свинца (IV). Контекст обычно проясняет, какое соединение подразумевается.

Когда свинцово-кислотная батарея полностью разряжена, электролит становится в основном водой, а оба электрода покрыты PbSO₄, прекращая дальнейший ток. Состояние заряда можно мониторить с гидрометром, измеряющим удельную плотность электролита — более высокая плотность указывает на более высокую концентрацию кислоты и более заряженный элемент.

Не все элементы обратимы. Первичные элементы, такие как Эдисонов элемент (NiO/Fe/KOH), не могут быть перезаряжены, потому что электрохимическая реакция эффективно необратима в практических условиях. Вторичные элементы, как свинцово-кислотные или литий-ионные батареи, позволяют обратить реакцию подачей внешнего тока, восстанавливая исходные материалы электродов.

Ключевые выводы

• Атомы, связанные электронами, формируют молекулы.
• Ионные связи возникают, когда один атом отдает электроны, а другой их принимает.
• Оксидо-восстановительные реакции переносят электроны и могут использоваться для генерации электрического тока.
• Вольтаический элемент конвертирует химические реакции в электрическую энергию.
• Разряженные элементы истощили свою химическую энергию; перезарядка восстанавливает ее во вторичных элементах.
• Заряд свинцово-кислотного аккумулятора можно оценить через плотность электролита, измеряемую гидрометром.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Атомная структура