Хімічныя рэакцыі, якія адбываюцца ў батарэях
Батарэі сталі адной з найзначнейшых інавацый у гісторыі чалавецтва, забяспечваючы сілкаваннем розныя прылады — ад гадзіннікаў да электрамабіляў. Ключом да функцыянальнасці батарэі з'яўляюцца хімічныя рэакцыі, якія адбываюцца ўнутры яе. У гэтым артыкуле будуць абмеркаваны хімічныя рэакцыі, якія ляжаць у аснове працы розных тыпаў батарэй.
Кароткая гісторыя акумулятараў
Першую батарэю вынайшаў Алесандра Вольта ў 1800 годзе. Ён стварыў «Вольтаву стужку», у якой выкарыстоўваўся стос медных і цынкавых пласцін, падзеленых тканінай, прасякнутай саляным растворам. Гэта вынаходніцтва праклала шлях для распрацоўкі больш эфектыўных і партатыўных батарэй.
Асноўныя прынцыпы батарэй
Асноўны прынцып усіх акумулятараў заключаецца ў выпрацоўцы электрычнасці шляхам хімічнай рэакцыі. Кожны акумулятар складаецца з трох асноўных кампанентаў: анода, катода і электраліта.
— Анод — гэта адмоўны электрод, які вызваляе электроны падчас электрахімічнай рэакцыі.
— Катод — гэта станоўчы электрод, які прымае электроны.
— Электраліт — гэта асяроддзе, якое дазваляе іёнам перамяшчацца паміж анодам і катодам, спрыяючы хімічным рэакцыям.
Рэакцыі, якія адбываюцца ў батарэі, называюцца акісляльна-аднаўленчымі (акісляльна-аднаўленчымі) рэакцыямі . На анодзе адбываецца рэакцыя акіслення, а на катодзе — рэакцыя аднаўлення.
Шчолачная батарэйка
Шчолачныя батарэйкі — адзін з найбольш распаўсюджаных тыпаў батарэек. Звычайна яны выкарыстоўваюцца ў прыладах з нізкім энергаспажываннем, такіх як пульты дыстанцыйнага кіравання тэлевізарамі і ліхтарыкі.
Кампанент
– Анод: цынк (Zn)
– Катод: дыяксід марганцу (MnO₂)
– Электраліт: гідраксід калію (KOH)
Хімічная рэакцыя
У шчолачнай батарэйцы адбываецца наступная рэакцыя:
– Анод (акісленне):
Zn (s) + 2 OH⁻ (aq) → Zn(OH)₂ (s) + 2 e⁻
– Катод (аднаўленне):
2 MnO₂ (з) + 2 H₂O (л) + 2 e⁻ → 2 MnO(OH) (з) + 2 OH⁻ (водн.)
Агульная колькасць атрыманай рэакцыі складае:
Zn(s) + 2 MnO₂(s) → ZnO(s) + Mn₂O₃(s)
Падчас гэтай рэакцыі цынк на анодзе акісляецца з утварэннем аксіду цынку (ZnO), а дыяксід марганцу на катодзе аднаўляецца да Mn₂O₃.
Свінцова-кіслотны акумулятар
Свінцова-кіслотныя акумулятары найбольш вядомыя як тып акумулятараў, якія выкарыстоўваюцца ў аўтамабілях у якасці крыніцы харчавання для запуску рухавіка. Гэтыя акумулятары таксама часта сустракаюцца ў сістэмах назапашвання энергіі ў крыніцах бесперабойнага сілкавання (UPS).
Кампанент
– Анод: свінец (Pb)
– Катод: дыяксід свінцу (PbO₂)
– Электраліт: серная кіслата (H₂SO₄)
Хімічная рэакцыя
У свінцова-кіслотным акумулятары адбываецца наступная рэакцыя:
– Анод (акісленне):
Pb(s) + SO₄²⁻ (водн.) → PbSO₄(s) + 2 e⁻
– Катод (аднаўленне):
PbO₂ (зн.) + SO₄²⁻ (водн.) + 4 H⁺ (водн.) + 2 e⁻ → PbSO₄ (зн.) + 2 H₂O (л)
Агульная колькасць атрыманай рэакцыі складае:
Pb (з) + PbO₂ (з) + 2H₂SO₄ (водн.) → 2PbSO₄ (з) + 2H₂O (л)
Серная кіслата дзейнічае як электраліт, спрыяючы пераносу іонаў паміж анодам і катодам. Пры зарадцы акумулятара гэтая рэакцыя адбываецца ў адваротным кірунку, і Pb і PbO₂ вяртаюцца да адпаведных электродаў.
Літый-іённы акумулятар
Літый-іённыя акумулятары — адзін з самых папулярных тыпаў сучасных акумулятараў, які выкарыстоўваецца ў партатыўных электронных прыладах, такіх як мабільныя тэлефоны, ноўтбукі і электрамабілі.
Кампанент
– Анод: графіт, інтэркаляваны іёнамі літыя (LiC₆)
– Катод: слаістае цвёрдае цела, такое як аксід літыя і кобальту (LiCoO₂), аксід літыя і марганцу (LiMn₂O₄) або фасфат літыя і жалеза (LiFePO₄).
– Электраліт: вадкая сумесь палімераў, якая змяшчае солі літыя.
Хімічная рэакцыя
У літый-іённых акумулятарах адбываюцца наступныя рэакцыі:
– Анод (разрад):
LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e⁻
– Катод (разрад):
LiCoO₂ + Li⁺ + e⁻ → LiCoO₂
Агульная рэакцыя, якая ўзнікае падчас разраду, выглядае наступным чынам:
C₆Li + LiCoO₂ → C₆ + CoO₂ + Li₂O
Зваротная рэакцыя адбываецца пры зарадцы акумулятара. Падчас зарадкі іёны літыя вяртаюцца з катода да графітавага анода.
Нікель-кадміевыя (NiCd) акумулятары
Нікель-кадміевыя акумулятары ўжо даўно выкарыстоўваюцца ў прыладах, якія патрабуюць частых цыклаў зарадкі і разрадкі, такіх як электраінструменты і медыцынскія прылады.
Кампанент
– Анод: кадмій (Cd)
– Катод: гідраксід аксіду нікеля (NiO(OH))
– Электраліт: гідраксід калію (KOH)
Хімічная рэакцыя
У нікель-кадміевым акумулятары адбываецца наступная рэакцыя:
– Анод (акісленне):
Cd (s) + 2 OH⁻ (aq) → Cd(OH)₂ (s) + 2 e⁻
– Катод (аднаўленне):
2 NiO(OH)₂ (з) + 2 H₂O (л) + 2 e⁻ → 2 Ni(OH)₂ (з) + 2 OH⁻ (водн.)
Агульная колькасць атрыманай рэакцыі складае:
Cd (s) + 2 NiO(OH) (s) + 2 H₂O (l) → Cd(OH)₂ (s) + 2 Ni(OH)₂ (s)
У гэтай рэакцыі кадмій на анодзе акісляецца да гідраксіду кадмію, а аксід-гідраксід нікеля на катодзе аднаўляецца да гідраксіду нікеля.
Выснова
Батарэі адыгрываюць жыццёва важную ролю ў нашым сучасным жыцці, і разуменне хімічных рэакцый, якія адбываюцца ў іх, з'яўляецца ключом да распрацоўкі больш эфектыўных тэхналогій. Незалежна ад таго, ці гэта простыя шчолачныя батарэі, ці складаныя літый-іённыя батарэі, усе яны абапіраюцца на фундаментальны прынцып акісляльна-аднаўленчых рэакцый для выпрацоўкі электрычнасці. Дзякуючы прагрэсу ў даследаваннях і тэхналагічных інавацыях, мы можам чакаць, што будучыя батарэі стануць больш эфектыўнымі, даўгавечнымі і экалагічна чыстымі.
Разумеючы хімічныя асновы гэтых батарэй, мы можам лепш ацаніць тэхналогію, якая забяспечвае працу многіх аспектаў нашага паўсядзённага жыцця.
