Elektronenaktivität in chemischen Reaktionen

Bisher haben wir in unseren Diskussionen über Elektrizität und Stromkreise noch nicht im Detail darauf eingegangen, wie Batterien funktionieren. Vielmehr haben wir einfach angenommen, dass sie durch einen mysteriösen Prozess eine konstante Spannung erzeugen. Hier werden wir diesen Prozess bis zu einem gewissen Grad untersuchen und einige der praktischen Überlegungen behandeln, die mit echten Batterien und ihrer Verwendung in Stromsystemen verbunden sind.

Im ersten Kapitel dieses Buches wird das Konzept eines Atoms wurde ebenso diskutiert wie der Grundbaustein aller materiellen Objekte. Atome wiederum bestehen aus noch kleineren Materiestücken, den Teilchen . Elektronen, Protonen und Neutronen sind die grundlegenden Arten von Teilchen, die in Atomen vorkommen. Jeder dieser Teilchentypen spielt eine unterschiedliche Rolle im Verhalten eines Atoms. Während die elektrische Aktivität die Bewegung von Elektronen beinhaltet, wird die chemische Identität eines Atoms (die weitgehend die Leitfähigkeit des Materials bestimmt) durch die Anzahl der Protonen im Kern (Mitte) bestimmt.

Die Protonen im Atomkern sind extrem schwer zu entfernen, und daher ist die chemische Identität eines Atoms sehr stabil. Eines der Ziele der alten Alchemisten (Blei in Gold zu verwandeln) wurde durch diese subatomare Stabilität vereitelt. Alle Versuche, diese Eigenschaft eines Atoms durch Hitze, Licht oder Reibung zu verändern, scheiterten. Die Elektronen eines Atoms werden jedoch viel leichter verdrängt. Wie wir bereits gesehen haben, ist Reibung eine Möglichkeit, wie Elektronen von einem Atom auf ein anderes (Glas und Seide, Wachs und Wolle) übertragen werden können, sowie Wärme (Erzeugung von Spannung durch Erhitzen einer Verbindung unterschiedlicher Metalle, wie im Fall von Thermoelementen).

Arten chemischer Bindungen

Elektronen können viel mehr als sich nur um und zwischen Atomen bewegen:Sie können auch dazu dienen, verschiedene Atome miteinander zu verbinden. Diese Verknüpfung von Atomen durch Elektronen wird als chemische Bindung bezeichnet . Eine grobe (und vereinfachte) Darstellung einer solchen Bindung zwischen zwei Atomen könnte so aussehen:

Es gibt verschiedene Arten von chemischen Bindungen, die oben gezeigte ist repräsentativ für eine kovalente Bindung, bei der Elektronen zwischen Atomen geteilt werden. Da chemische Bindungen auf Verbindungen beruhen, die durch Elektronen gebildet werden, sind diese Bindungen nur so stark wie die Unbeweglichkeit der sie bildenden Elektronen. Das heißt, chemische Bindungen können durch die gleichen Kräfte erzeugt oder gebrochen werden, die Elektronen zur Bewegung zwingen:Hitze, Licht, Reibung usw.

Wenn Atome durch chemische Bindungen verbunden werden, bilden sie Materialien mit einzigartigen Eigenschaften, die als Moleküle bekannt sind . Das oben gezeigte Dual-Atom-Bild ist ein Beispiel für ein einfaches Molekül, das aus zwei Atomen des gleichen Typs besteht. Die meisten Moleküle sind Vereinigungen verschiedener Arten von Atomen. Sogar Moleküle, die aus Atomen des gleichen Typs gebildet werden, können radikal unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben. Nehmen wir zum Beispiel das Element Kohlenstoff:in einer Form Graphit , verbinden sich Kohlenstoffatome zu flachen „Platten“, die sehr leicht aneinander gleiten und Graphit seine natürlichen Schmiereigenschaften verleihen. In einer anderen Form Diamant , verbinden sich dieselben Kohlenstoffatome in einer anderen Konfiguration, diesmal in Form von ineinandergreifenden Pyramiden, und bilden das Material von außergewöhnlicher Härte. In noch einer anderen Form, Fullerene, Dutzende von Kohlenstoffatomen bilden jedes Molekül, das wie ein Fußball aussieht. Fulleren-Moleküle sind sehr zerbrechlich und leicht. Der luftige Ruß, der durch zu fette Verbrennung von Acetylengas entsteht (wie bei der Erstzündung eines Autogen-Schweiß-/Schneidbrenners) enthält viele Fulleren-Moleküle.

Als es den Alchemisten gelang, die Eigenschaften einer Substanz durch Hitze, Licht, Reibung oder Mischung mit anderen Substanzen zu verändern, beobachteten sie in Wirklichkeit Veränderungen in der Art von Molekülen, die durch Atome gebildet wurden, die aufbrechen und Bindungen mit anderen Atomen eingehen. Die Chemie ist das moderne Gegenstück zur Alchemie und beschäftigt sich vor allem mit den Eigenschaften dieser chemischen Bindungen und den damit verbundenen Reaktionen.

Eine Art chemischer Bindung, die für unsere Untersuchungen zu Batterien von besonderem Interesse ist, ist die sogenannte ionische Bindung, und sie unterscheidet sich von der kovalenten Bindung dadurch, dass ein Atom des Moleküls einen Überschuss an Elektronen besitzt, während einem anderen Atom Elektronen fehlen, wobei die Bindungen zwischen ihnen das Ergebnis der elektrostatischen Anziehung zwischen den beiden ungleichen Ladungen sind.

Bei der Bildung von Ionenbindungen aus neutralen Atomen findet ein Elektronentransfer zwischen den positiv und negativ geladenen Atomen statt. Ein Atom, das einen Überschuss an Elektronen aufnimmt, wird als reduziert bezeichnet; ein Atom mit Elektronenmangel heißt oxidiert . Eine Gedächtnisstütze, um sich an die Definitionen zu erinnern, ist OIL RIG (oxidiert ist weniger; reduziert wird gewonnen). Es ist wichtig zu beachten, dass Moleküle oft sowohl ionische als auch kovalente Bindungen enthalten. Natriumhydroxid (Laugen, NaOH) hat eine ionische Bindung zwischen dem Natriumatom (positiv) und dem Hydroxylion (negativ). Das Hydroxylion hat eine kovalente Bindung (als Balken dargestellt) zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen:

Na+ OH- Natrium verliert nur ein Elektron, daher beträgt seine Ladung im obigen Beispiel +1. Wenn ein Atom mehr als ein Elektron verliert, kann die resultierende Ladung als +2, +3, +4 usw. oder durch eine römische Zahl in Klammern angegeben werden, die den Oxidationszustand angibt, wie (I), (II), ( IV) usw. Einige Atome können mehrere Oxidationsstufen aufweisen, und es ist manchmal wichtig, die Oxidationsstufe in die Summenformel aufzunehmen, um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden.

Wie funktioniert eine Voltaische Zelle?

Die Bildung von Ionen und ionischen Bindungen aus neutralen Atomen oder Molekülen (oder umgekehrt ) beinhaltet die Übertragung von Elektronen. Dieser Elektronentransfer kann genutzt werden, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Ein genau dafür konstruiertes Gerät wird als Voltaic-Zelle bezeichnet , oder Zelle kurz, meist bestehend aus zwei Metallelektroden, die in ein chemisches Gemisch getaucht sind (ein sogenannter Elektrolyt ) entwickelt, um eine solche elektrochemische (Oxidation/Reduktion) Reaktion zu erleichtern:

Bei der üblichen „Blei-Säure“-Zelle (wie sie üblicherweise in Automobilen verwendet wird) besteht die negative Elektrode aus Blei (Pb) und die positive aus Blei (IV)-Dioxid (PbO2), beides metallische Stoffe. Es ist wichtig zu beachten, dass Bleidioxid metallisch ist und ein elektrischer Leiter ist, im Gegensatz zu anderen Metalloxiden, die normalerweise Isolatoren sind. (Hinweis:Tabelle unten) Die Elektrolytlösung ist eine verdünnte Schwefelsäure (H2SO4 + H2O). Wenn die Elektroden der Zelle an einen externen Stromkreis angeschlossen sind, so dass Elektronen einen Platz haben, um von einem zum anderen zu fließen, nehmen Blei(IV)-Atome in der positiven Elektrode (PbO2) jeweils zwei Elektronen auf, um Pb(II) zu erzeugen. Ö. Die „übrigen“ Sauerstoffatome verbinden sich mit positiv geladenen Wasserstoffionen (H)+ zu Wasser (H2O). Dieser Elektronenfluss in die Bleidioxid-(PbO2)-Elektrode verleiht ihr eine positive elektrische Ladung. Folglich geben Bleiatome in der negativen Elektrode jeweils zwei Elektronen ab, um Blei Pb(II) zu erzeugen, das sich mit Sulfationen (SO4-2) verbindet, die durch die Dissoziation der Wasserstoffionen (H+) von der Schwefelsäure (H2SO4) zu . entstehen Bleisulfat (PbSO4) bilden. Der Elektronenfluss aus der Bleielektrode führt zu einer negativen elektrischen Ladung. Diese Reaktionen sind unten schematisch dargestellt:

Hinweis zur Bleioxid-Nomenklatur: Die Nomenklatur für Bleioxide kann verwirrend sein. Der Begriff Bleioxid kann sich entweder auf Pb(II)O oder Pb(IV)O2 beziehen, und die richtige Verbindung kann normalerweise aus dem Kontext bestimmt werden. Andere Synonyme für Pb(IV)O2 sind:Bleidioxid, Bleiperoxid, Bleioxid, Bleioxid braun und Bleisuperoxid. Der Begriff Bleiperoxid ist besonders verwirrend, da er eine Verbindung von Blei (II) mit zwei Sauerstoffatomen, Pb (II) O2, impliziert, die anscheinend nicht existiert. Leider hat sich der Begriff Bleiperoxid in der Fachliteratur durchgesetzt. In diesem Abschnitt wird Bleidioxid für Pb(IV)O2 und Bleioxid für Pb(II)O verwendet. Die Oxidationsstufen werden normalerweise nicht angezeigt.

Dieser Vorgang, bei dem die Zelle elektrische Energie zur Versorgung einer Last bereitstellt, wird als Entladen bezeichnet da es seine internen chemischen Reserven erschöpft. Theoretisch entstehen, nachdem die gesamte Schwefelsäure aufgebraucht ist, zwei Elektroden aus Bleisulfat (PbSO4) und eine Elektrolytlösung aus reinem Wasser (H2O), sodass keine Kapazität mehr für zusätzliche Ionenbindungen übrig bleibt. In diesem Zustand gilt die Zelle als vollständig entladen . In einer Blei-Säure-Zelle kann der Ladezustand durch eine Analyse der Säurestärke bestimmt werden. Dies ist mit einem Gerät namens Hydrometer leicht zu bewerkstelligen , die das spezifische Gewicht (Dichte) des Elektrolyten misst. Schwefelsäure ist dichter als Wasser. Je höher die Ladung einer Zelle, desto höher die Säurekonzentration und somit eine dichtere Elektrolytlösung.

Es gibt keine einzige chemische Reaktion, die für alle Volta-Zellen repräsentativ ist, so dass jede detaillierte Diskussion der Chemie nur begrenzt anwendbar ist. Es ist wichtig zu verstehen, dass Elektronen über ionische Reaktionen zwischen den Elektrodenmolekülen und den Elektrolytmolekülen zu und/oder von den Elektroden der Zelle motiviert werden. Die Reaktion wird aktiviert, wenn ein externer Pfad für elektrischen Strom vorhanden ist, und endet, wenn dieser Pfad unterbrochen wird.

Da die Motivation für Elektronen, sich durch eine Zelle zu bewegen, chemischer Natur ist, ist die von einer Zelle erzeugte Spannung (elektromotorische Kraft) spezifisch für die jeweilige chemische Reaktion für diesen Zelltyp. Die soeben beschriebene Blei-Säure-Zelle hat beispielsweise eine Nennspannung von 2,04 Volt pro Zelle, bezogen auf eine vollständig "geladene" Zelle (Säurekonzentration stark) in gutem Zustand. Es gibt andere Arten von Zellen mit unterschiedlichen spezifischen Spannungsausgängen. Die Edison-Zelle , beispielsweise mit einer positiven Elektrode aus Nickeloxid, einer negativen Elektrode aus Eisen und einer Elektrolytlösung aus Kaliumhydroxid (ein ätzender, nicht saurer Stoff) erzeugt aufgrund der spezifischen Unterschiede nur eine Nennspannung von 1,2 Volt in chemischer Reaktion mit diesen Elektroden- und Elektrolytsubstanzen.

Die chemischen Reaktionen einiger Zelltypen können umgekehrt werden, indem elektrischer Strom rückwärts durch die Zelle geleitet wird (in die negative Elektrode und aus die positive Elektrode). Dieser Vorgang wird als Aufladen bezeichnet . Jede solche (wiederaufladbare) Zelle wird als Sekundärzelle bezeichnet . Eine Zelle, deren Chemie durch einen Rückstrom nicht umgekehrt werden kann, wird als Primärzelle bezeichnet .

Wenn eine Blei-Säure-Zelle durch eine externe Stromquelle geladen wird, werden die beim Entladen auftretenden chemischen Reaktionen umgekehrt:

REVIEW:

• Atome, die durch Elektronen miteinander verbunden sind, werden Moleküle genannt .
• Ionenbindungen sind molekulare Vereinigungen, die gebildet werden, wenn sich ein elektronenarmes Atom (ein positives Ion) mit einem elektronenüberschussigen Atom (ein negatives Ion) verbindet.
• Elektrochemische Reaktionen beinhalten die Übertragung von Elektronen zwischen Atomen. Diese Übertragung kann genutzt werden, um einen elektrischen Strom zu bilden.
• Eine Zelle ist ein Gerät, das konstruiert ist, um solche chemischen Reaktionen zu nutzen, um elektrischen Strom zu erzeugen.
• Eine Zelle gilt als entladen wenn seine internen chemischen Reserven durch Gebrauch aufgebraucht sind.
• Eine sekundäre Die Chemie der Zelle kann umgekehrt (aufgeladen) werden, indem Strom rückwärts durch sie geleitet wird.
• Eine primäre Zelle kann praktisch nicht wieder aufgeladen werden.
• Die Ladung einer Blei-Säure-Zelle kann mit einem Instrument namens Hydrometer gemessen werden , die die Dichte der Elektrolytflüssigkeit misst. Je dichter der Elektrolyt, desto stärker die Säurekonzentration und desto größer der Ladezustand der Zelle.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Atomstruktur-Arbeitsblatt