Обсуждая электричество и электрические цепи, мы пока что толком не затрагивали вопрос, как работают батареи. До сего момента просто предполагалось (не вдаваясь в подробности), что они неким загадочным образом генерируют постоянное напряжение или постоянный ток. Наконец-то мы приоткроем завесу тайны, немного углубимся в процесс, а также рассмотрим некоторые практические аспекты, связанные с настоящими батареями и их использованием в энергосистемах.
Полагаю, вы знакомы с концепцией атома, как основного строительного блока любого материального объекта. Атомы, в свою очередь, состоят из ещё более мелких кусочков материи, называемых частицами. Электроны, протоны и нейтроны – это основные типы частиц, из которых состоят атомы. У каждого типа своя особая роль. Если электрическая активность связана с движением электронов, то химическая идентичность (которая в значительной степени определяет электропроводность материала) зависит от количества протонов в ядре атома.
Рис. 1. Условное схематичное изображение атома.
Протоны чрезвычайно трудно выбить из атомного ядра, благодаря чему химическая идентичность материала крайне стабильна. Именно из-за субатомной стабильности все попытки древних алхимиков превратить свинец в золото не увенчались успехом. Ни нагревание, ни свет, ни трение никак не изменяли химическую идентичность твёрдых веществ. Что касается электронов, то заставить их покидать атом можно с небольшими усилиями. Наверняка все знают, что трение – это один из способов передачи электронов от одних атомов к другим (возможно, вы проводили опыты с такими парами материалов как стекло/шёлк или воск/шерсть). Покинуть атом может электрон и в результате нагрева (помните, как мы, нагревая стык двух разнородных материалов, генерировали напряжение в термопарах?).
Типы химических связей
Электроны способны на большее, чем просто мигрировать от одного атома к другому: ещё они умеют объединять атомы. Такое соединение атомов электронами называется химической связью. Грубо (крайне упрощённо) это выглядит так:
Рис. 2. Упрощённое представление химической связи, когда атомы имеют совместные электроны.
Бывает разные типы химических связей. Та, что на предыдущем рисунке – это ковалентная связь, когда часть электронов одновременно принадлежит более чем одному атому. Поскольку химические связи основаны на связях, образованных электронами, прочность этих связей зависит от того, насколько подвижны/неподвижны образующие эти связи электроны. Химические связи создаются и разрываются под воздействием тех же сил, которые заставляют электроны перемещаться от одного атома к другому: теплом, светом, трением и т.д.
Когда между атомами установлена химическая связь, образуются материалы с уникальными свойствами, сами соединения атомов – это молекулы. Изображение с двумя атомами, показанное выше, является примером простой молекулы, образованной двумя атомами одного типа. Большинство молекул представляют собой объединения разных типов атомов. Даже молекулы, образованные атомами одного типа, могут иметь совершенно разные физические свойства. Возьмем, к примеру, углерод: в одной из форм (графит) атомыуглерода соединяются вместе, образуя плоские «пластины», которые очень легко скользят друг относительно друга, из-за чего графит ведёт себя как смазка. В другой форме (алмаз), атомыуглерода соединяются вместе в другой конфигурации, на этот раз в форме взаимосвязанных пирамид, образуя материал невероятной твёрдости. В ещё одной форме (фуллерен), десятки атомовуглерода образуют молекулу, похожую на футбольный мяч. Молекулыфуллерена очень хрупкие и лёгкие. Воздушная сажа, образующаяся при сгорании избыточного количества ацетиленового газа (образуется при зажигании кислородно-ацетиленовой сварочно-режущей горелки), содержит множество молекул фуллерена.
Майнитьзолото из свинца древним алхимикам так и не удалось, но с помощью нагревания, света, трения и смешивания они преуспели в изменении свойств различных веществ. Хотя не все алхимики об этом знали, но они наблюдали изменения типов молекул, образованных атомами, когда разрушались прежние межатомные связи и образовывались новые, другой конфигурации. Современная химия – наследница алхимии, изучающая прежде всего свойства этих химических связей и реакции, связанные с ними.
Тип химической связи, представляющий для нас особый интерес (в контексте исследования устройства батарей), – это так называемая ионная связь. Она отличается от ковалентной тем, что один атом молекулы имеет избыток электронов, а у другого атома их недостаток. Связь между ними является результатом электростатического притяжения между двумя разными зарядами.
Когда ионная связь образуется из нейтральных атомов, происходит перенос электронов, в результате чего одни атомы положительно заряженные, а другие отрицательно. Атом с избытком электронов, называется восстановленным; с недостатком – окисленным. Химическая реакция при этом называется окислительно-восстановительной. Атом, который отдаёт электроны называется восстановителем, а тот, что получает – окислителем. То есть, окислитель восстанавливается, а восстановитель окисляется. Чтобы запомнить, кто потерял, а кто нашёл – в западной научной литературе используется англоязычная мнемоника OIL RIG (oxidized is less; reduced is gained – окисленный потерял; восстановленный приобрёл). Дословный перевод словосочетания «oil rig» – «нефтяная вышка», разумеется, ни при чём, ведь это же просто мнемоника (хотя это тоже источник энергии, как и механизм ионной связи). В русскоязычной научной литературе принято по отношению к отрицательно заряженному иону (он же окисленный ион, он же восстановитель) применять термин анион, по отношению к положительно заряженному иону (он же восстановленный ион, он же окислитель) применять термин катион.
Натрий теряет только один электрон, поэтому в приведенном выше примере его заряд равен +1 (+1 в химической нотации также обозначается как просто +). Если атом теряет более одного электрона, результирующий заряд может быть обозначен как +2, +3, +4 и т.д. В качестве альтернативы используется римская цифра в скобках, показывающая степень окисления, например (I), (II), (IV) и т.д. Некоторые атомы могут иметь несколько степеней окисления, и иногда важно включить степень окисления в молекулярную формулу, чтобы избежать двусмысленности.
Как работает гальванический элемент?
Образование ионов и ионных связей из нейтральных атомов или молекул влечёт перенос электронов от одних атомов к другим. Обратное тоже верно – миграция электронов между атомами приводит к образованию ионных связей. Этот перенос электронов можно использовать для генерации электрического тока. Предназначенное для этого устройство (гальванический элемент, или сокращенно будем использовать просто термин элемент) обычно состоит из двух металлических электродов, погружённых в химическую смесь (электролит), предназначенную для облегчения такой электрохимической (окислительно-восстановительной) реакции:
Номенклатура оксидов свинца может сбивать с толку. Термин «оксид свинца» может относиться как к Pb(II)O, так и к Pb(IV)O2, и обычно из контекста подразумевается, какой именно оксид имеется ввиду. Другими синонимами Pb(IV)O2 являются: диоксид свинца, пероксид свинца, оксид свинца, коричневый оксид свинца и супероксид свинца. Термин «перекись свинца» («пероксид свинца») вводит в заблуждение, поскольку такое название семантически подразумевает, что это соединение свинца со степень окисления (II) с двумя атомами кислорода, Pb(II)O2. Но такого химического соединения, судя по всему, не существует. К сожалению, данный термин до сих пор можно встретить в промышленной литературе. В этом разделе диоксид свинца будет использоваться для обозначения Pb(IV)O2, а оксид свинца будет относиться к Pb(II)O. Степени окисления обычно не указываются.
Этот процесс, при котором элемент производит электрическую энергию для питания нагрузки, называется разрядкой, поскольку истощаются собственные внутренние химические резервы. Теоретически после того, как вся серная кислота переработается, остаются два электрода из сульфата свинца (PbSO4) и раствор электролита из чистой воды (H2O), после чего нет резервов для дополнительной ионной связи. В этом состоянии аккумулятор считается полностью разряженным. В свинцово-кислотном элементе степень заряда может быть определена путем анализа степени кислотности. Это легко сделать с помощью устройства, которое называется ареометр, он измеряет удельный вес (плотность) электролита. Серная кислота более плотная, чем вода, поэтому чем больше заряд элемента, тем выше концентрация кислоты и, следовательно, раствор электролита имеет большую плотность.
Не существует единой химической реакции, представляющей все гальванические элементы, поэтому любое подробное обсуждение химии обязательно будет иметь ограниченное применение. Важно понимать, что электроны движутся к электродам элемента и/или от них посредством ионных реакций между молекулами электрода и молекулами электролита. Реакция активируется, когда есть внешний путь для электрического тока, и прекращается, когда этот путь прерывается.
Поскольку причины, побуждающие электроны двигаться через элемент имеют химическую природу, величина напряжения (электродвижущая сила), генерируемая любым элементом, будет зависеть от конкретной химической реакции для этого типа элемента. Например, только что описанный свинцово-кислотный элемент имеет номинальное напряжение 2,04 В, если он полностью «заряжен» (т.е. пока что в нём высокая концентрация кислоты) и в хорошем физическом состоянии. Существуют и другие типы элементов с различными выходными напряжениями. Элемент Эдисона, например, с положительным электродом из оксида никеля, отрицательным электродом из железа и раствором гидроксида калия в электролите (едкое, а не кислотное вещество) генерирует номинальное напряжение всего 1,2 В из-за определённых различий в химической реакции именно с этими электродами и электролитическими веществами.
Химические реакции некоторых типов элементов могут быть обратимы, что заставляет электрический ток течь в противоположном направлении через элемент (из положительного электрода в отрицательный). Этот процесс называется зарядкой. Любой такой (перезаряжаемый) элемент называется вторичным элементом. Элемент, химический состав которой не может быть изменён обратным током, называется первичным элементом.
Когда свинцово-кислотный элемент заряжается от внешнего источника тока, химические реакции, происходящие во время разряда, меняются на противоположные:
Электрохимические реакции предполагают перенос электронов между атомами. Это может быть использовано для образования электрического тока.
Элемент представляет собой устройство, позволяющее использовать подобные химические реакции для генерации электрического тока.
Считается, что элемент разряжается, если его внутренние химические запасы истощаются в результате использования.
Истощённый химический состав вторичного элемента можно восстановить до первоначального состояния (перезарядить), направив ток в противоположном направлении.
