Електронска активност у хемијским реакцијама

3000+ Common English Words with Pronunciation (Јули 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Електронска активност у хемијским реакцијама

Поглавље 11 - Батерије и енергетски системи


До сада у нашим дискусијама о струјним и електричним круговима нисмо детаљно размотрили како функционирају батерије. Уместо тога, једноставно смо претпоставили да стварају константан напон кроз неку врсту мистериозног процеса. Овде ћемо истражити тај процес до неке мере и покрити неке од практичних питања везаних за стварне батерије и њихову употребу у електроенергетским системима.

У првом поглављу ове књиге расправљало се о концепту атома, као основног грађевинског блока свих материјалних предмета. Атоми су, пак, састављени од још мањих честица материје званих честица . Електрони, протони и неутрони су основне врсте честица пронађених у атомима. Сваки од ових типова честица игра значајну улогу у понашању атома. Док електрична активност подразумева кретање електрона, хемијски идентитет атома (који у великој мјери одређује како ће се проводити материјал) одређује број протона у језгру (центар).

Протони у атомском језгру су изузетно тешки за уклањање, па је хемијски идентитет било ког атома врло стабилан. Један од циљева древних алхемичара (да би се олово претворио у злато) био је омаловажен овом субатомском стабилношћу. Сви напори да се ова својства атому измјењују топлотним, свјетлосним или трењем су испуњени неуспјехом. Међутим, електрони атома су много лакше уклоњени. Као што смо већ видели, трење је један од начина на који се електрони могу преносити са једног на други атом (стакло и свила, восак и вуна), као и топлота (стварајући напон грејањем споја различитих метала, као у случају термоелектрана).

Електрони могу учинити много више од једноставног кретања и између атома: они такође могу служити за повезивање различитих атома заједно. Ово повезивање атома електронама назива се хемијска веза . Сирова (и поједностављена) представљање такве везе између два атома може изгледати овако:

Постоји неколико типова хемијских веза, а горе наведено је репрезентативно за ковалентну везу, где се електрони деле између атома. Пошто су хемијске везе засноване на везама које формирају електроне, ове везе су једнако јаке као и непокретност електрона који их формирају. То значи да се хемијске везе могу стварати или сломити исте силе које приморавају електроне да се крећу: топлота, светлост, трење итд.

Када се атоми удружују хемијским везама, формирају материјале са јединственим својствима познатим као молекуле . Приказана двострука слика је пример једноставног молекула који формирају два атома истог типа. Већина молекула су синдикати различитих врста атома. Чак и молекули формирани од атома истог типа могу имати радикално различите физичке особине. Узмите елемент угљеника, на пример: у једном облику, графит, атоми угљеника се међусобно повезују како би се формирале равне "плоче" које се врло једноставно клизају једни на друге, дајући графиту своје природно подмазивање својстава. У другој форми, дијамант, исти атоми угљеника повезују заједно у другачијој конфигурацији, овог пута у облику међусобних пирамида, формирајући материјал који прелази тврдоћу. У још једном облику, Фуллерене, десетине атома угљеника формирају сваки молекул, који изгледа нешто попут фудбалске лопте. Молекули фулерена су врло крхки и лагани. Зрачна чаура формирана прекомјерно богатим сагоријевањем ацетиленског гаса (као у иницијалном паљењу окси-ацетилена за заваривање / резање пламеника) садржи мноштво Фуллерене молекула.

Када су алхемичари успео да промени својства супстанце топлотом, светлостом, трењем или мешавином са другим супстанцама, они су заправо посматрали промене у врстама молекула насталих разбијањем атома и формирањем веза са другим атомима. Хемија је савремени колега алхемије и највише се бави карактеристикама ових хемијских веза и реакцијама повезаним с њима.

Тип хемијске везе од посебног интереса за наше истраживање батерија је такозвана јонска веза, и она се разликује од ковалентне везе у томе што један атом молекула поседује вишак електрона док други атом недостаје електрона, везе између њих што је резултат електростатичке привлачности између две различите оптужнице.

Када се јонске везе формирају из неутралних атома, постоји пренос електрона између позитивно и негативно наелектрисаних атома. Речено је да је атом који добија вишак електрона смањен ; За атом са недостатком електрона речено је да се оксидира . Мнемоник који помаже да се сетим дефиниција је ОИЛ РИГ (оксидиран је мање, смањује се добит). Важно је напоменути да ће молекули често садржавати и јонске и ковалентне везе. Натријум хидроксид (лака, НаОХ) има јонску везу између натријумовог атома (позитивног) и хидроксил јона (негативног). Хидроксилни јон има ковалентну везу (приказано као шипка) између атома водоника и кисеоника:

На + О-Х - Натријум само губи један електрон, тако да је његов цхарге +1 у горе наведеном примеру. Ако атом изгуби више од једног електрона, резултујуће наелектрисање може бити означено као +2, +3, +4, итд. Или римским бројевима у заградама које показују стање оксидације, као што су (И), (ИИ), ( ИВ) итд. Неки атоми могу имати више оксидационих стања, а понекад је битно укључити стање оксидације у молекуларну формулу како би се избјегло двосмисленост.

Формирање јона и јонских веза од неутралних атома или молекула (или обрнуто ) подразумева пренос електрона. Тај пренос електрона може се искористити да генерише електричну струју. Један уређај направљен да ради само то се зове волтаична ћелија или ћелија за кратко, обично се састоји од двије металне електроде потапане у хемијску смешу (названа електролитом ) дизајнирана да олакша таква електрокемијска (оксидација / редукција) реакција:

У заједничкој ћелији олова-киселина (врста која се обично користи у аутомобилима), негативна електрода је направљена од олова (Пб), а позитивна је од оловних (ИВ) диоксида (ПбО 2 ), обе металне супстанце. Важно је напоменути да је оловни диоксид металик и електрични проводник, за разлику од осталих металних оксида који су обично изолатори. (Напомена: Табела испод) Раствор електролита је разређена сумпорна киселина (Х 2 СО 4 + Х 2 О). Ако су електроде ћелије повезане са спољним кругом, тако да електрони имају место за проток од једног до другог, атоми олова (ИВ) у позитивној електроди (ПбО2) добијају по два електрона за производњу Пб (ИИ) ) О. Атоми кисеоника који су "остали" комбинују са позитивно наелектрисаним водоник јонима (Х) + да би се формирала вода (Х 2 О). Овај ток електрона у електроду оловног диоксида (ПбО 2 ), даје му позитиван електрични набој. Сходно томе, атоми олова у негативној електроди одустају од по два електрона за производњу олова Пб (ИИ), који се комбинује са сулфатним јонима (СО 4 -2 ) произведеним из дисассоциације водоничних јона (Х + ) из сумпорне киселине (Х 2 СО 4 ) да би се формирао оловни сулфат (ПбСО 4 ). Проток електрона из електроде електроде даје негативан електрични набој. Ове реакције су дијаграмски приказане испод: (ДОЕ)

Напомена о номенклатури олово оксида:

Номенклатура оксида олова може бити збуњујућа. Термин, олово олова може се односити на Пб (ИИ) О или Пб (ИВ) О 2, а тачно једињење може се одредити обично из контекста. Друге синониме за Пб (ИВ) О 2 су: оловни диоксид, олово олово, плумбни оксид, олово олово браон и олово суперокид. Термин, оловни пероксид је нарочито збуњујући, јер подразумева једињење олова (ИИ) са два атома кисеоника, Пб (ИИ) О2, који очигледно не постоји. Нажалост, термин оловни пероксид упорно је присутан у индустријској литератури. У овом одељку, оловни диоксид ће се користити за означавање Пб (ИВ) О2, а олово олова ће се односити на Пб (ИИ) О. Оксидациона стања се не приказују обично.

Овај процес ћелије који обезбеђује електричну енергију за снабдевање оптерећењем назива се пражњење пошто оштећује своје унутрашње хемијске резерве. Теоретски, после све исцрпљености сумпорне киселине, резултат ће бити две електроде оловодилата (ПбСО 4 ) и раствор електролита чисте воде (Х 2 О), не остављајући више капацитета за додатно јонско везивање. У овом стању, ћелија се каже да је потпуно испражњена . У оловној ћелији, стање пуњења може се одредити анализом јачине киселине. Ово се лако постиже уређајем који се назива хидрометар, који мери специфичну тежину (густину) електролита. Сумпорна киселина је густа од воде, тако да је већа количина ћелије, то је већа концентрација киселине, а самим тим и густи раствор електролита.

Не постоје поједине хемијске реакције које представљају све волтаичне ћелије, тако да свака детаљна расправа о хемији има ограничену примену. Важно је разумети да су електрони мотивирани и / или из ћелијских електрода путем јонских реакција између молекула електрода и молекула електролита. Реакција је омогућена када постоји спољна стаза за електричну струју и престаје када је тај пут прекинут.

С обзиром на то да је мотивација да се електрони крећу кроз ћелију хемијски по природи, количина напона (електромоторне силе) коју генерише било која ћелија биће специфична за одређену хемијску реакцију за тај тип ћелије. На пример, оловна киселина која је управо описала има номинални напон од 2, 04 волта по ћелији, заснованој на потпуно "напуњеној" ћелији (концентрација јаке киселине) у добром физичком стању. Постоје и друге врсте ћелија са различитим специфичним излазима напона. Едисонова ћелија, на пример, са позитивном електродом израђеном од никљевог оксида, негативне електроде направљене од гвожђа и електролитског раствора калијум хидроксида (каустична, не киселина, супстанца) ствара номинални напон од само 1.2 волта, због специфичне разлике у хемијској реакцији са онима електрода и електролита.

Хемијске реакције неких врста ћелија могу се обрнути тако што се електрична струја враћа уназад кроз ћелију ( у негативној електроди и изван позитивне електроде). Овај процес се зове пуњење . Свака таква (пуњива) ћелија се зове секундарна ћелија . Ћелија чија хемија не може бити обрнута помоћу обрнуте струје се зове примарна ћелија .

Када оловно-киселинску ћелију напуњује спољни извор струје, хемијске реакције које су доживјеле током пражњења су обрнуте:

  • ПРЕГЛЕД:
  • Атоми повезани електронима се називају молекули .
  • Јонске везе су молекуларни синдикати који се формирају када се атом који дефинира електрон (позитиван јон) придружи прекомерним атомом (негативним јоном).
  • Електрохемијске реакције укључују пренос електрона између атома. Овај пренос се може искористити да створи електричну струју.
  • Ћелија је уређај конструисан тако да користи такве хемијске реакције да генерише електричну струју.
  • За ћелију је речено да се испразни када су његове унутрашње хемијске резерве исцрпљене употребом.
  • Хемија секундарне ћелије може се обрнути (поново напунити) тако што приморава струју уназад кроз то.
  • Примарна ћелија се не може практично допунити.
  • Олово-киселинске ћелије могу се проценити помоћу инструмента који се назива хидрометар, који мери густину електролитне течности. Што је густина електролита, јача је концентрација киселине и веће стање пуњења ћелије.