Sisu
- Patareide rakukeemia
- Näpunäited
- Keemiaraku ajalugu
- Kuidas laetavad akud tühjenevad?
- Laetavate akude rakendused
- Aku reageerimise füüsika
- Galvaanilise elemendi pinge
Tõenäoliselt olete kohanud patareide tühjaks saamist, mis on ebameeldiv, kui proovite neid elektroonikaseadmetes kasutada. Patareide rakukeemia võib teile öelda, kuidas need töötavad, sealhulgas ka seda, kuidas need tühjaks lähevad.
Patareide rakukeemia
Näpunäited
Selle suhte mäletamiseks peate meeles pidama sõna "OILRIG". See ütleb sulle seda oksüdatsioon on kaotus (“OIL”) ja vähendamine on kasu (“RIG”) elektronid. moodone anoodide ja katoodide jaokss on "ANOX REDCAT", et meeles pidada, et "ANood" kasutatakse koos "OXidation" ja "REDuction" toimub "CAThode" juures.
Primaarrakud võivad töötada ka erinevate metallide üksikute poolrakkudega ioonlahuses, mis on ühendatud soolasilla või poorse membraaniga. Need elemendid pakuvad akusid hulgaliselt kasutusvõimalusi.
Leelispatareid, mis kasutavad spetsiaalselt tsingi anoodi ja magneesiumkatoodi vahelist reaktsiooni, kasutatakse taskulampide, kaasaskantavate elektrooniliste seadmete ja puldide jaoks. Muud populaarsete akuelementide näited hõlmavad liitiumi, elavhõbedat, räni, hõbeoksiidi, kroomhapet ja süsinikku.
Tehnilised projektid võivad ära kasutada akude tühjenemise viisi energia säästmiseks ja taaskasutamiseks. Odavates majapidamispatareides kasutatakse tavaliselt süsinik-tsingielemente, mis on konstrueeritud nii, et tsingi läbimisel galvaaniline korrosioon, protsess, milles metall sööbib eelistatult, aku võib toota elektrit suletud elektronide vooluringi osana.
Millisel temperatuuril akud plahvatavad? Liitium-ioon akude rakukeemia tähendab, et need patareid käivitavad keemilised reaktsioonid, mille tagajärjeks on plahvatus umbes 1000 ° C juures. Nende sees olev vaskmaterjal sulab, mis põhjustab sisemiste südamike purunemise.
Keemiaraku ajalugu
1836. aastal ehitas Briti keemik John Frederic Daniell Danielli rakk milles ta kasutas ühe asemel kahte elektrolüüti, et lasta ühel toodetud vesinikul tarbida teine. Ta kasutas väävlihappe asemel tsinksulfaati, mis oli tolleaegsete patareide tavapärane tava.
Enne seda kasutasid teadlased voltaarrakke, mis on iseeneslikku reaktsiooni kasutavate keemiliste rakkude tüüpi ja mis kaotasid kiire kiirusega võimu. Daniell kasutas vask- ja tsinkplaatide vahel barjääri, et vältida liigse vesiniku mullitamist ja takistada aku kiiret kulumist. Tema töö tooks kaasa uuendusi telegraafias ja elektrometallurgias, mis on elektrienergia kasutamise meetod metallide tootmiseks.
Kuidas laetavad akud tühjenevad?
Sekundaarsed rakudteisest küljest on need laetavad. Laetav aku, mida nimetatakse ka akumulaatoriks, sekundaarelemendiks või akumulaatoriks, salvestab aja jooksul laadimist, kuna katood ja anood on üksteisega ühendatud vooluringis.
Laadimisel oksüdeerub positiivne aktiivne metall nagu nikkeloksiidhüdroksiid, luues elektronid ja kaotades need, negatiivne materjal nagu kaadmium aga väheneb, hõivates elektronid ja omandades need. Aku kasutab laadimis-tühjendustsüklit, kasutades mitmesuguseid allikaid, sealhulgas välise pingeallikana vahelduvvoolu elektrit.
Laetavad akud võivad pärast korduvat kasutamist ikkagi tühjaks saada, kuna reaktsioonis osalevad materjalid kaotavad võime uuesti laadida. Kuna need akusüsteemid kuluvad, on akude tühjenemise viise erinevatel viisidel.
Kuna patareisid kasutatakse rutiinselt, võivad mõned neist, näiteks pliiakud, laadimisvõime kaotada. Liitium-ioon akude liitium võib muutuda reaktiivseks liitiummetalliks, mis ei saa uuesti siseneda laadimis- ja tühjenemistsüklisse. Vedelate elektrolüütidega akude niiskus võib väheneda aurustumise või ülelaadimise tõttu.
Laetavate akude rakendused
Neid akusid kasutatakse tavaliselt autode starterites, ratastoolides, elektriliste jalgrataste, elektritööriistade ja akuhoidlate elektrijaamades. Teadlased ja insenerid on uurinud nende kasutamist hübriidse sisepõlemisakuga akudes ja elektrisõidukites, et nende energiatarbimine oleks tõhusam ja püsiks kauem.
Laetav pliiaku purustab veemolekule (H2O) vesiniku vesilahusesse (H+) ja oksiidioonid (O2-), mis tekitab purunenud sidemest elektrienergiat, kuna vesi kaotab oma laengu. Kui vesiniku vesilahus reageerib nende oksiidiioonidega, kasutatakse aku toiteks tugevaid O-H sidemeid.
Aku reageerimise füüsika
See keemiline energia paneb toime redoksreaktsiooni, mis muundab suure energiatarbimisega reagendid madala energiatarbega toodeteks. Reaktiivide ja toodete erinevus laseb reaktsioonil toimuda ja moodustab elektriskeemi, kui aku on ühendatud, muutes keemilise energia elektrienergiaks.
Galvaanilises ruumis on reagentidel, näiteks metallilisel tsingil, suur vaba energia, mis laseb reaktsioonil tekkida spontaanselt, ilma välise jõuta.
Anoodis ja katoodis kasutatavatel metallidel on võre koherentsed energiad, mis võivad keemilist reaktsiooni juhtida. Võre kohesiivne energia on energia, mis on vajalik aatomite eraldamiseks, mis moodustavad metalli üksteisest. Sageli kasutatakse metallilist tsinki, kaadmiumi, liitiumi ja naatriumi, kuna neil on kõrge ionisatsioonienergia, mis on minimaalne energia, mis on vajalik elektronide eemaldamiseks elemendist.
Sama metalli ioonidest ajendatud galvaanilised elemendid võivad kasutada vaba energia erinevusi, et põhjustada Gibbsi vaba energiat reaktsiooni juhtimiseks. Gibbs vaba energiat on veel üks energiavorm, mida kasutatakse termodünaamilise protsessi käigus kasutatava töö hulga arvutamiseks.
Sel juhul muutub Gibbsi standardse energia vaba energia Go _ juhib pinget või elektrimootori jõudu _E__o voltides, vastavalt võrrandile Eo = -ΔrGo / (ve x F) milles ve on reaktsiooni käigus üle kantud elektronide arv ja F on Faraday konstant (F = 96485,33 C mol−1).
ΔrGo _ näitab, et võrrand kasutab Gibbsi vaba energia muutust (_ΔrGo = __Glõplik - Galgne). Entroopia suureneb, kui reaktsioon kasutab olemasolevat vaba energiat. Danielli rakus moodustab võre sidus energia erinevus tsingi ja vase vahel reaktsiooni toimumisel suurema osa Gibbsi vaba energia erinevusest. ΔrGo = -213 kJ / mol, mis on toodete ja reagentide Gibbs-vaba energia erinevus.
Galvaanilise elemendi pinge
Kui lahutada galvaanilise elemendi elektrokeemiline reaktsioon oksüdatsiooni- ja redutseerimisprotsesside poolreaktsioonideks, saate lahtris kasutatud pinge erinevuse saamiseks vastavad elektromotoorjõud kokku liita.
Näiteks võib tüüpiline galvaaniline element kasutada CuSO-d4 ja ZnSO4 standardsete võimalike poolreaktsioonidega nagu: Cu2+ + 2 e− ⇌ Cu millel on vastav elektromootoripotentsiaal Eo = +0,34 V ja Zn2+ + 2 e− ⇌ Zn potentsiaaliga Eo = −0,76 V.
Üldise reaktsiooni jaoks Cu2+ + Zn ⇌ Cu + Zn2+ , võite tsingi poolreaktsiooni võrrandi "libistada", libistades samal ajal elektromotoorjõu märki, et saada Zn ⇌ Zn2+ + 2 e− koos Eo = 0,76 V. Üldine reaktsioonipotentsiaal ehk elektromootorite jõudude summa on siis +0,34 V - (-0,76 V) = 1,10 V.