화학 반응에서의 전자 활동

지금까지 전기 및 전기 회로에 대한 논의에서 배터리가 어떻게 작동하는지 자세히 논의하지 않았습니다. 오히려, 우리는 그들이 일종의 신비한 과정을 통해 일정한 전압을 생성한다고 단순히 가정했습니다. 여기에서 우리는 그 과정을 어느 정도 탐구하고 실제 배터리와 전력 시스템에서의 사용과 관련된 실용적인 고려 사항을 다룰 것입니다.

이 책의 첫 번째 장에서 원자 모든 물질적 개체의 기본 빌딩 블록과 마찬가지로 논의되었습니다. 원자는 차례로 입자라고 하는 더 작은 물질 조각으로 구성됩니다. . 전자, 양성자 및 중성자는 원자에서 발견되는 기본 유형의 입자입니다. 이러한 각 입자 유형은 원자의 거동에서 뚜렷한 역할을 합니다. 전기적 활동에는 전자의 움직임이 포함되지만 원자의 화학적 특성(물질의 전도성 정도를 크게 결정함)은 핵(중앙)의 양성자 수에 의해 결정됩니다.

원자핵에 있는 양성자는 제거하기가 극히 어려우므로 원자의 화학적 동일성은 매우 안정적입니다. 고대 연금술사들의 목표 중 하나(납을 금으로 바꾸는 것)는 이 아원자 안정성으로 인해 좌절되었습니다. 열, 빛 또는 마찰을 통해 원자의 이러한 속성을 변경하려는 모든 노력은 실패로 돌아갔습니다. 그러나 원자의 전자는 훨씬 더 쉽게 제거됩니다. 우리가 이미 보았듯이 마찰은 전자가 한 원자에서 다른 원자(유리 및 실크, 왁스 및 양모)로 전달될 수 있는 한 가지 방법일 뿐만 아니라 열(이종 금속의 접합을 가열하여 전압을 생성하는 경우와 같이 열전대).

화학 결합의 종류

전자는 원자 사이를 이동하는 것보다 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다. 다른 원자를 함께 연결하는 역할도 할 수 있습니다. 전자에 의한 원자의 연결을 화학 결합이라고 합니다. . 두 원자 사이의 그러한 결합에 대한 조잡한(그리고 단순화된) 표현은 다음과 같을 수 있습니다.

여러 유형의 화학 결합이 있으며 위에 표시된 것은 공유 원자 사이에 전자가 공유되는 결합. 화학 결합은 전자에 의해 형성된 연결을 기반으로 하기 때문에 이러한 결합은 그들을 형성하는 전자의 부동성만큼만 강합니다. 즉, 화학 결합은 전자를 움직이게 하는 것과 동일한 힘(열, 빛, 마찰 등)에 의해 생성되거나 끊어질 수 있습니다.

원자가 화학 결합으로 결합되면 분자라고 하는 고유한 특성을 가진 물질을 형성합니다. . 위에 표시된 이중 원자 그림은 동일한 유형의 두 원자로 구성된 간단한 분자의 예입니다. 대부분의 분자는 다른 유형의 원자의 결합입니다. 같은 유형의 원자로 형성된 분자조차도 근본적으로 다른 물리적 특성을 가질 수 있습니다. 탄소 원소를 예로 들어 보겠습니다. 한 가지 형태로 흑연 , 탄소 원자는 서로 매우 쉽게 미끄러지는 평평한 "판"을 형성하기 위해 함께 연결되어 흑연에 천연 윤활 특성을 부여합니다. 다른 형태로 다이아몬드 , 동일한 탄소 원자가 서로 다른 구성으로 함께 연결되어 이번에는 맞물린 피라미드 모양으로 연결되어 경도를 초과하는 재료를 형성합니다. 또 다른 형태인 풀러렌 수십 개의 탄소 원자가 축구공처럼 보이는 각 분자를 형성합니다. 풀러렌 분자는 매우 약하고 가볍습니다. 아세틸렌 가스의 과도하게 풍부한 연소(산소-아세틸렌 용접/절단 토치의 초기 점화에서와 같이)에 의해 형성된 통풍 그을음에는 많은 풀러렌 분자가 포함되어 있습니다.

연금술사들이 열, 빛, 마찰 또는 다른 물질과의 혼합물에 의해 물질의 특성을 변화시키는 데 성공했을 때, 그들은 실제로 원자가 다른 원자와 결합을 형성하고 파괴함으로써 형성되는 분자 유형의 변화를 관찰하고 있었습니다. 화학은 연금술의 현대 대응물이며 주로 이러한 화학 결합의 특성 및 이와 관련된 반응에 관심을 둡니다.

배터리 연구에서 특히 관심을 끄는 화학 결합 유형은 소위 이온입니다. 결합이며 공유와 다릅니다. 분자의 한 원자는 과량의 전자를 보유하고 다른 원자는 전자가 부족하며, 이들 사이의 결합은 서로 다른 두 전하 사이의 정전기적 인력의 결과라는 점에서 결합입니다.

이온 결합이 중성 원자에서 형성되면 양전하를 띤 원자와 음전하를 띤 원자 사이에 전자가 이동합니다. 과량의 전자를 얻는 원자는 환원됩니다.; 전자가 부족한 원자는 산화된다고 합니다. . 정의를 기억하는 데 도움이 되는 니모닉은 OIL RIG입니다(산화된 것은 적게, 환원된 것은 얻음). 분자는 종종 이온 결합과 공유 결합을 모두 포함한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 수산화나트륨(lye, NaOH)은 나트륨 원자(양)와 하이드록실 이온(음) 사이에 이온 결합이 있습니다. 수산기 이온은 수소와 산소 원자 사이에 공유 결합(막대로 표시)을 가지고 있습니다.

Na+ OH- 나트륨은 하나의 전자만 잃으므로 위의 예에서 전하는 +1입니다. 원자가 하나 이상의 전자를 잃으면 결과 전하를 +2, +3, +4 등으로 표시하거나 (I), (II), ( IV) 등. 일부 원자는 여러 산화 상태를 가질 수 있으며, 모호성을 피하기 위해 분자식에 산화 상태를 포함하는 것이 때때로 중요합니다.

볼타 전지는 어떻게 작동합니까?

중성 원자 또는 분자에서 이온 및 이온 결합 형성(또는 반대 ) 전자의 이동을 포함합니다. 전자의 전달은 전류를 생성하기 위해 이용될 수 있습니다. 이를 수행하도록 구성된 장치를 볼타 전지라고 합니다. , 또는 셀 간단히 말해서 일반적으로 화학 혼합물(전해질이라고 함)에 담근 두 개의 금속 전극으로 구성됩니다. ) 이러한 전기화학적(산화/환원) 반응을 촉진하도록 설계됨:

일반적인 "납산" 전지(자동차에 일반적으로 사용되는 종류)에서 음극은 납(Pb)으로 만들어지고 양극은 금속 물질인 이산화납(IV)(PbO2)으로 만들어집니다. 이산화납은 일반적으로 절연체인 다른 금속 산화물과 달리 금속성이며 전기 전도체라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. (참고:아래 표) 전해액은 묽은 황산(H2SO4 + H2O)입니다. 전지의 전극이 외부 회로에 연결되어 전자가 한 곳에서 다른 곳으로 흐를 때 양극(PbO2)의 납(IV) 원자는 각각 두 개의 전자를 얻어 Pb(II)를 생성합니다. 영형. "남은" 산소 원자는 양전하를 띤 수소 이온(H)+과 결합하여 물(H2O)을 형성합니다. 이산화납(PbO2) 전극으로 전자가 흐르면 양전하가 발생합니다. 결과적으로 음극의 납 원자는 각각 2개의 전자를 포기하여 납 Pb(II)를 생성하며, 이는 황산(H2SO4)에서 수소 이온(H+)이 해리되어 생성된 황산 이온(SO4-2)과 결합하여 황산납(PbSO4)을 형성합니다. 리드 전극에서 전자의 흐름은 음전하를 제공합니다. 이러한 반응은 아래에 도표로 표시됩니다.

산화납 명명법에 대한 참고 사항: 산화납의 명명법은 혼란스러울 수 있습니다. 납 산화물이라는 용어는 Pb(II)O 또는 Pb(IV)O2를 나타낼 수 있으며 정확한 화합물은 일반적으로 문맥에서 결정할 수 있습니다. Pb(IV)O2의 다른 동의어는 이산화 납, 과산화 납, 산화 배관, 산화 납 갈색 및 과산화 납입니다. 과산화납이라는 용어는 2개의 산소 원자를 가진 납(II)의 화합물, 즉 존재하지 않는 Pb(II)O2를 의미하기 때문에 특히 혼란스럽습니다. 불행히도 과산화납이라는 용어는 산업 문헌에서 계속 사용되었습니다. 이 섹션에서 이산화납은 Pb(IV)O2를 나타내는 데 사용되고 산화납은 Pb(II)O를 나타냅니다. 산화 상태는 일반적으로 표시되지 않습니다.

부하를 공급하기 위해 전기 에너지를 제공하는 전지의 이러한 과정을 방전이라고 합니다. 내부 화학 매장량을 고갈시키고 있기 때문입니다. 이론적으로 모든 황산이 소진된 후 결과는 황산납(PbSO4)의 두 전극과 순수한 물(H2O)의 전해질 용액이 되어 추가 이온 결합을 위한 용량이 더 이상 남지 않습니다. 이 상태에서 셀을 완전히 방전한다고 합니다. . 납산 전지에서 충전 상태는 산 강도 분석으로 결정할 수 있습니다. 이것은 비중계라는 장치를 사용하여 쉽게 수행할 수 있습니다. , 전해질의 비중(밀도)을 측정합니다. 황산은 물보다 밀도가 높기 때문에 전지의 전하가 클수록 산 농도가 높아져 전해액의 밀도가 높아집니다.

모든 볼타 전지를 대표하는 단일 화학 반응은 없으므로 화학에 대한 자세한 논의는 제한적으로 적용됩니다. 이해해야 할 중요한 점은 전자가 전극 분자와 전해질 분자 사이의 이온 반응을 통해 세포 전극으로 및/또는 세포 전극에서 동기를 부여한다는 것입니다. 전류의 외부 경로가 있을 때 반응이 활성화되고 해당 경로가 끊어지면 중지됩니다.

전자가 세포를 통해 이동하는 동기는 본질적으로 화학적이기 때문에 모든 세포에서 생성되는 전압(기전력)의 양은 해당 세포 유형에 대한 특정 화학 반응에 따라 다릅니다. 예를 들어, 방금 설명한 납산 전지는 양호한 물리적 조건에서 완전히 "충전된" 전지(강한 산성 농도)를 기준으로 전지당 2.04볼트의 공칭 전압을 갖습니다. 특정 전압 출력이 다른 다른 유형의 셀이 있습니다. 에디슨 세포 예를 들어, 산화니켈로 만든 양극, 철로 만든 음극 및 수산화칼륨(산이 아닌 부식성 물질)의 전해질 용액은 특정 차이로 인해 공칭 전압이 1.2볼트에 불과합니다. 이러한 전극 및 전해질 물질과의 화학 반응에서.

일부 유형의 세포의 화학 반응은 전류를 세포를 통해 역방향으로 강제함으로써 역전될 수 있습니다(in 음극 및 out 양극). 이 프로세스를 충전이라고 합니다. . 이러한 (충전식) 전지를 보조 전지라고 합니다. . 역전류로 화학적 성질을 되돌릴 수 없는 전지를 1차 전지라고 합니다. .

납산 셀이 외부 전류 소스에 의해 충전되면 방전 중에 경험하는 화학 반응이 역전됩니다.