Elektronenactiviteit in chemische reacties

Tot dusverre hebben we in onze discussies over elektriciteit en elektrische circuits niet in detail besproken hoe batterijen werken. Integendeel, we zijn er simpelweg van uitgegaan dat ze een constante spanning produceren door een soort mysterieus proces. Hier zullen we dat proces tot op zekere hoogte onderzoeken en enkele praktische overwegingen behandelen die te maken hebben met echte batterijen en hun gebruik in energiesystemen.

In het eerste hoofdstuk van dit boek wordt het concept van een atoom werd besproken, evenals de basisbouwsteen van alle materiële objecten. Atomen zijn op hun beurt weer samengesteld uit nog kleinere stukjes materie die deeltjes worden genoemd . Elektronen, protonen en neutronen zijn de basistypes van deeltjes die in atomen worden aangetroffen. Elk van deze deeltjestypes speelt een duidelijke rol in het gedrag van een atoom. Terwijl elektrische activiteit de beweging van elektronen omvat, wordt de chemische identiteit van een atoom (die grotendeels bepaalt hoe geleidend het materiaal zal zijn) bepaald door het aantal protonen in de kern (midden).

De protonen in de atoomkern zijn buitengewoon moeilijk los te maken, en dus is de chemische identiteit van een atoom erg stabiel. Een van de doelen van de oude alchemisten (om lood in goud te veranderen) werd verijdeld door deze subatomaire stabiliteit. Alle pogingen om deze eigenschap van een atoom door middel van warmte, licht of wrijving te veranderen, mislukten. De elektronen van een atoom worden echter veel gemakkelijker losgemaakt. Zoals we al hebben gezien, is wrijving een manier waarop elektronen van het ene atoom naar het andere kunnen worden overgedragen (glas en zijde, was en wol), evenals warmte (spanning opwekken door een kruising van ongelijke metalen te verhitten, zoals in het geval van van thermokoppels).

Soorten chemische binding

Elektronen kunnen veel meer dan alleen maar rond en tussen atomen bewegen:ze kunnen ook dienen om verschillende atomen aan elkaar te koppelen. Deze koppeling van atomen door elektronen wordt een chemische binding genoemd . Een ruwe (en vereenvoudigde) weergave van zo'n binding tussen twee atomen kan er als volgt uitzien:

Er zijn verschillende soorten chemische bindingen, de hierboven getoonde is representatief voor een covalente binding, waarbij elektronen worden gedeeld tussen atomen. Omdat chemische bindingen gebaseerd zijn op verbindingen gevormd door elektronen, zijn deze bindingen slechts zo sterk als de onbeweeglijkheid van de elektronen die ze vormen. Dat wil zeggen, chemische bindingen kunnen worden gecreëerd of verbroken door dezelfde krachten die elektronen dwingen te bewegen:warmte, licht, wrijving, enz.

Wanneer atomen worden verbonden door chemische bindingen, vormen ze materialen met unieke eigenschappen die bekend staan ​​als moleculen . De bovenstaande afbeelding met twee atomen is een voorbeeld van een eenvoudig molecuul dat wordt gevormd door twee atomen van hetzelfde type. De meeste moleculen zijn verenigingen van verschillende soorten atomen. Zelfs moleculen gevormd door atomen van hetzelfde type kunnen radicaal verschillende fysieke eigenschappen hebben. Neem bijvoorbeeld het element koolstof:in één vorm, grafiet , koolstofatomen verbinden zich met elkaar om platte "platen" te vormen die heel gemakkelijk tegen elkaar schuiven, waardoor grafiet zijn natuurlijke smerende eigenschappen krijgt. In een andere vorm, diamant , zijn dezelfde koolstofatomen in een andere configuratie met elkaar verbonden, dit keer in de vorm van in elkaar grijpende piramides, waardoor het materiaal van buitengewone hardheid wordt gevormd. In nog een andere vorm, Fullerene, tientallen koolstofatomen vormen elk molecuul, dat lijkt op een voetbal. Fullereen-moleculen zijn erg kwetsbaar en licht van gewicht. Het luchtige roet dat ontstaat bij een te rijke verbranding van acetyleengas (zoals bij de eerste ontsteking van een oxy-acetyleen las-/snijbrander) bevat veel Fullereen-moleculen.

Toen alchemisten erin slaagden de eigenschappen van een stof te veranderen door warmte, licht, wrijving of vermenging met andere stoffen, observeerden ze echt veranderingen in de soorten moleculen gevormd door atomen die breken en bindingen vormen met andere atomen. Chemie is de moderne tegenhanger van alchemie en houdt zich voornamelijk bezig met de eigenschappen van deze chemische bindingen en de bijbehorende reacties.

Een type chemische binding die van bijzonder belang is voor onze studie van batterijen is de zogenaamde ionische binding, en het verschilt van de covalente binding doordat één atoom van het molecuul een overmaat aan elektronen bezit, terwijl een ander atoom geen elektronen heeft, waarbij de bindingen tussen hen het resultaat zijn van de elektrostatische aantrekking tussen de twee ongelijke ladingen.

Wanneer ionische bindingen worden gevormd uit neutrale atomen, is er een overdracht van elektronen tussen de positief en negatief geladen atomen. Een atoom dat een teveel aan elektronen krijgt, wordt gereduceerd genoemd; een atoom met een tekort aan elektronen wordt geoxideerd . Een geheugensteuntje om de definities te onthouden is OIL RIG (geoxideerd is minder; verminderd wordt gewonnen). Het is belangrijk op te merken dat moleculen vaak zowel ionische als covalente bindingen zullen bevatten. Natriumhydroxide (loog, NaOH) heeft een ionische binding tussen het natriumatoom (positief) en het hydroxylionen (negatief). Het hydroxylionen heeft een covalente binding (weergegeven als een balk) tussen de waterstof- en zuurstofatomen:

Na+ O-H- Natrium verliest slechts één elektron, dus de lading is +1 in het bovenstaande voorbeeld. Als een atoom meer dan één elektron verliest, kan de resulterende lading worden aangegeven als +2, +3, +4, enz. of door een Romeins cijfer tussen haakjes dat de oxidatietoestand aangeeft, zoals (I), (II), ( IV), enz. Sommige atomen kunnen meerdere oxidatietoestanden hebben en het is soms belangrijk om de oxidatietoestand in de molecuulformule op te nemen om dubbelzinnigheid te voorkomen.

Hoe werkt een Voltaic Cell?

De vorming van ionen en ionbindingen van neutrale atomen of moleculen (of omgekeerd ) omvat de overdracht van elektronen. Die overdracht van elektronen kan worden benut om een ​​elektrische stroom op te wekken. Een apparaat dat speciaal hiervoor is gemaakt, wordt een voltaïsche cel genoemd , of cel kortweg, meestal bestaande uit twee metalen elektroden die zijn ondergedompeld in een chemisch mengsel (een elektrolyt genoemd) ) ontworpen om een ​​dergelijke elektrochemische (oxidatie/reductie) reactie te vergemakkelijken:

In de gewone "loodzuur" -cel (het soort dat vaak wordt gebruikt in auto's), is de negatieve elektrode gemaakt van lood (Pb) en de positieve is gemaakt van lood (IV) dioxide (PbO2), beide metalen stoffen. Het is belangrijk op te merken dat looddioxide van metaal is en een elektrische geleider is, in tegenstelling tot andere metaaloxiden die gewoonlijk isolatoren zijn. (opmerking:onderstaande tabel) De elektrolytoplossing is een verdund zwavelzuur (H2SO4 + H2O). Als de elektroden van de cel zijn verbonden met een extern circuit, zodat elektronen een plaats hebben om van de ene naar de andere te stromen, zullen lood(IV)-atomen in de positieve elektrode (PbO2) elk twee elektronen krijgen om Pb(II) te produceren O. De zuurstofatomen die "overblijven" combineren met positief geladen waterstofionen (H)+ om water (H2O) te vormen. Deze stroom van elektronen in de looddioxide (PbO2) elektrode geeft deze een positieve elektrische lading. Dientengevolge geven loodatomen in de negatieve elektrode elk twee elektronen af ​​om lood Pb(II) te produceren, dat wordt gecombineerd met sulfaationen (SO4-2) die worden geproduceerd door de dissociatie van de waterstofionen (H+) van het zwavelzuur (H2SO4) tot vormen loodsulfaat (PbSO4). De stroom van elektronen uit de loodelektrode geeft deze een negatieve elektrische lading. Deze reacties worden hieronder schematisch weergegeven:

Opmerking over de nomenclatuur van loodoxide: De nomenclatuur voor loodoxiden kan verwarrend zijn. De term loodoxide kan verwijzen naar Pb(II)O of Pb(IV)O2, en de juiste verbinding kan meestal uit de context worden bepaald. Andere synoniemen voor Pb(IV)O2 zijn:looddioxide, loodperoxide, plumbic oxide, loodoxide bruin en loodsuperoxide. De term loodperoxide is bijzonder verwarrend, omdat het een verbinding van lood (II) met twee zuurstofatomen impliceert, Pb(II)O2, die blijkbaar niet bestaat. Helaas is de term loodperoxide in de industriële literatuur blijven bestaan. In deze sectie zal looddioxide worden gebruikt om te verwijzen naar Pb(IV)O2 en loodoxide zal verwijzen naar Pb(II)O. De oxidatietoestanden worden gewoonlijk niet weergegeven.

Dit proces waarbij de cel elektrische energie levert om een ​​belasting te leveren, wordt ontladen genoemd omdat het zijn interne chemische reserves aan het uitputten is. Theoretisch zal het resultaat, nadat al het zwavelzuur is opgebruikt, twee elektroden van loodsulfaat (PbSO4) en een elektrolytoplossing van zuiver water (H2O) zijn, waardoor er geen capaciteit meer is voor extra ionische binding. In deze toestand zou de cel volledig ontladen zijn . In een loodzuurcel kan de ladingstoestand worden bepaald door een analyse van de zuursterkte. Dit wordt gemakkelijk bereikt met een apparaat dat een hydrometer wordt genoemd , die het soortelijk gewicht (dichtheid) van de elektrolyt meet. Zwavelzuur is dichter dan water, dus hoe groter de lading van een cel, hoe groter de zuurconcentratie en dus een dichtere elektrolytoplossing.

Er is geen enkele chemische reactie die representatief is voor alle voltaïsche cellen, dus elke gedetailleerde bespreking van chemie zal ongetwijfeld een beperkte toepassing hebben. Het belangrijkste om te begrijpen is dat elektronen worden gemotiveerd van en/of naar de elektroden van de cel via ionische reacties tussen de elektrodemoleculen en de elektrolytmoleculen. De reactie wordt ingeschakeld wanneer er een extern pad voor elektrische stroom is en stopt wanneer dat pad wordt verbroken.

Omdat de motivatie voor elektronen om door een cel te bewegen chemisch van aard is, zal de hoeveelheid spanning (elektromotorische kracht) die door een cel wordt gegenereerd specifiek zijn voor de specifieke chemische reactie voor dat celtype. De zojuist beschreven loodzuurcel heeft bijvoorbeeld een nominale spanning van 2,04 volt per cel, gebaseerd op een volledig "geladen" cel (zuurconcentratie sterk) in goede fysieke conditie. Er zijn andere soorten cellen met verschillende specifieke spanningsuitgangen. De Edison-cel , bijvoorbeeld met een positieve elektrode van nikkeloxide, een negatieve elektrode van ijzer en een elektrolytoplossing van kaliumhydroxide (een bijtende, geen zure stof) genereert een nominale spanning van slechts 1,2 volt, vanwege de specifieke verschillen in chemische reactie met die elektrode- en elektrolytstoffen.

De chemische reacties van sommige soorten cellen kunnen worden omgekeerd door elektrische stroom achteruit door de cel te dwingen (in de negatieve elektrode en uit de positieve elektrode). Dit proces heet opladen . Een dergelijke (oplaadbare) cel wordt een secundaire cel genoemd . Een cel waarvan de chemie niet kan worden omgekeerd door een tegenstroom, wordt een primaire cel genoemd .

Wanneer een loodzuurcel wordt opgeladen door een externe stroombron, worden de chemische reacties tijdens de ontlading omgekeerd:

BEOORDELING:

• Atomen die door elektronen aan elkaar zijn gebonden, worden moleculen genoemd .
• Ionische bindingen zijn moleculaire verbindingen die worden gevormd wanneer een elektron-deficiënt atoom (een positief ion) samenkomt met een elektron-overmatig atoom (een negatief ion).
• Elektrochemische reacties omvatten de overdracht van elektronen tussen atomen. Deze overdracht kan worden benut om een ​​elektrische stroom te vormen.
• Een cel is een apparaat dat is gemaakt om dergelijke chemische reacties te benutten om elektrische stroom te genereren.
• Er wordt gezegd dat een cel ontladen is wanneer de interne chemische reserves zijn uitgeput door gebruik.
• Een secundaire de chemie van de cel kan worden omgekeerd (opgeladen) door de stroom er achteruit doorheen te dwingen.
• Een primaire cel kan praktisch niet worden opgeladen.
• Lood-zuur cellading kan worden beoordeeld met een instrument genaamd een hydrometer , die de dichtheid van de elektrolytvloeistof meet. Hoe dichter de elektrolyt, hoe sterker de zuurconcentratie en hoe groter de ladingstoestand van de cel.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Atoomstructuur