Tõenäoliselt olete kohanud tühjenevaid akusid, mis on häiriv, kui proovite neid elektroonikaseadmetes kasutada. Patareide rakukeemia võib teile öelda nende tööomadused, sealhulgas tühjenemise.
Patareide rakukeemia
•••Syed Hussain Ather
Kui aku elektrokeemiline reaktsioon tühjendab materjalid, tühjeneb aku. See juhtub tavaliselt pärast pikka aku kasutamist.
Patareides kasutatakse tavaliselt primaarelemente, teatud tüüpi elementegalvaaniline elementmis kasutab vedelas elektrolüüdis kahte erinevat metalli, et võimaldada nende vahel laengu ülekandmist. Positiivsed laengud voolavadkatood, mis on ehitatud katioonide või positiivselt laetud ioonide, nagu vask, külgeanood, anioonide või negatiivselt laetud ioonidega nagu tsink.
Näpunäited
Patareid tühjenevad elektrolüüdi kemikaalide kuivamise tagajärjel. Leelispatareide puhul on see siis, kui kogu mangaandioksiid on muundatud. Selles etapis on aku tühi.
Selle suhte meenutamiseks võite meelde jätta sõna "OILRIG". See ütleb teile sedaoksüdeerumine on kadu
(“ÕL”) javähendamine on võit(“RIG”) elektronidest. Theanoodide ja katoodi mälus on "ANOX REDCAT", et meeles pidada, et "ANode" kasutatakse koos "OXidation" -ga ja "REDuction" toimub "CAThode'is".Primaarrakud võivad töötada ka erinevate metallide üksikute poolrakkudega ioonilahuses, mis on ühendatud soolasilla või poorse membraaniga. Need elemendid pakuvad patareidele lugematuid kasutusviise.
Leelispatareid, mis kasutavad spetsiaalselt tsinkanoodi ja magneesiumkatoodi vahelist reaktsiooni, kasutatakse taskulampide, kaasaskantavate elektroonikaseadmete ja kaugjuhtimispultide jaoks. Teiste populaarsete akuelementide näidete hulka kuuluvad liitium, elavhõbe, räni, hõbeoksiid, kroomhape ja süsinik.
Insenerikonstruktsioonid võivad energia säästmiseks ja taaskasutamiseks ära kasutada patareide tühjenemise viisi. Odavate kodumajapidamiste patareides kasutatakse tavaliselt tsink-süsinikelemente, mis on kavandatud nii, et tsingi töötlemiselgalvaaniline korrosioon, protsess, kus metall eelistatult korrodeerub, võib aku toota elektrit suletud elektronahelas.
Mis temperatuuril patareid plahvatavad? Liitiumioonakude rakukeemia tähendab, et need patareid alustavad keemilisi reaktsioone, mille tulemuseks on nende plahvatus umbes 1000 ° C juures. Nende sees olev vaskmaterjal sulab, mis põhjustab sisemiste südamike purunemist.
Keemilise raku ajalugu
1836. aastal ehitas Briti keemik John Frederic DaniellDanielli rakkmilles ta kasutas ühe elektrolüüdi asemel kahte, võimaldades ühe poolt toodetud vesinikku teisel tarbida. Ta kasutas väävelhappe asemel tsinksulfaati, mis on tolleaegne patareide levinud tava.
Enne seda kasutasid teadlased voltaatilisi rakke, mis on keemiliste rakkude tüüp, mis kasutab spontaanset reaktsiooni, mis kaotas jõu kiiresti. Daniell kasutas vase- ja tsinkplaatide vahelist tõket, et vältida liigse vesiniku mullitamist ja peatada aku kiire kulumine. Tema töö tooks kaasa uuendusi telegraafias ja elektrometallurgias - metalli tootmiseks elektrienergia kasutamise meetodis.
Kuidas laetavad patareid tühjaks saavad
Sekundaarsed rakudon seevastu laetavad. Laetav patarei, mida nimetatakse ka akuks, sekundaarseks elemendiks või akuks, salvestab aja jooksul laengut, kuna katood ja anood on omavahel ühendatud vooluahelaga.
Laadimisel oksüdeerub positiivne aktiivne metall nagu nikkeloksiidhüdroksiid, mis loob elektrone ja nende kaotamine, samal ajal kui negatiivne materjal nagu kaadmium väheneb, püüdes elektrone ja omandades neid. Aku kasutab laadimis-tühjendamistsükleid, kasutades välise pingeallikana mitmesuguseid allikaid, sealhulgas vahelduvvoolu elektrit.
Laaditavad akud võivad pärast korduvat kasutamist ikkagi tühjaks minna, kuna reaktsioonis osalevad materjalid kaotavad võime laadida ja uuesti laadida. Kui need akusüsteemid kuluvad, on patareid tühjaks saamas mitmel viisil.
Kuna akusid kasutatakse tavapäraselt, võivad mõned neist, näiteks pliiakud, kaotada võime uuesti laadida. Liitiumioonakude liitium võib muutuda reaktsioonivõimeliseks liitiummetalliks, mis ei pääse uuesti laadimis-tühjendamistsüklisse. Vedelate elektrolüütidega patareide aurustumise või ülelaadimise tõttu võib nende niiskus väheneda.
Laetavate patareide rakendused
Neid patareisid kasutatakse tavaliselt autode starterites, ratastoolides, elektriratastes, elektritööriistades ja akude hoidlates. Teadlased ja insenerid on uurinud nende kasutamist hübriidsetes sisepõlemis-akudes ja elektrisõidukites, et nende energiatarbimine oleks tõhusam ja kestaks kauem.
Laetav pliiakud purustavad veemolekule (H2O) vesiniku vesilahusesse (H+) ja oksiidioonid (O2-), mis toodab purustatud sidemest elektrienergiat, kui vesi kaotab laengu. Kui vesiniku vesilahus reageerib nende oksiidioonidega, kasutatakse aku toiteks tugevaid O-H sidemeid.
Aku reaktsioonide füüsika
See keemiline energia käivitab redoksreaktsiooni, mis muudab kõrge energiaga reaktiivid madalama energiaga toodeteks. Reageerivate ainete ja saaduste erinevus võimaldab reaktsioonil toimuda ja moodustab elektriahela, kui aku ühendatakse keemilise energia muundamisel elektrienergiaks.
Galvaankambris on reagentidel, näiteks metallist tsinkil, kõrge vaba energia, mis võimaldab reaktsioonil toimuda spontaanselt ilma välise jõuta.
Anoodis ja katoodis kasutatavatel metallidel on võrega seotud energia, mis võib keemilist reaktsiooni juhtida. Võre kohesioonenergia on energia, mis on vajalik metalli moodustavate aatomite eraldamiseks üksteisest. Metalltsinki, kaadmiumi, liitiumit ja naatriumi kasutatakse sageli, kuna neil on kõrge ionisatsioonienergia - minimaalne energia, mis on vajalik elektronide eemaldamiseks elemendist.
Sama metalli ioonide poolt juhitavad galvaanilised rakud võivad kasutada vaba energia erinevusi, et panna Gibbsi vaba energia reaktsiooni juhtima. TheGibbsi vaba energiaon teine energiavorm, mida kasutatakse termodünaamilises protsessis kasutatava töö hulga arvutamiseks.
Sellisel juhul muutub standardse Gibbsi vaba energia muutusGo ajab pinget ehk elektromotoorset jõuduEovolti järgi, vastavalt võrrandile
E ^ {\ text {o}} = \ frac {- \ Delta_rG ^ {\ text {o}}} {v_eF}
millesveon reaktsiooni käigus ülekantud elektronide arv ja F on Faraday konstant (F = 96485,33 C mol−1).
TheΔrGo näitab, et võrrand kasutab Gibbsi vaba energia muutust (ΔrGo =Glõplik - Ginitsiaalne).Entroopia suureneb, kui reaktsioon kasutab olemasolevat vaba energiat. Danielli rakus moodustavad võre sidus energia erinevus tsingi ja vase vahel suurema osa Gibbsi vaba energia erinevusest reaktsiooni toimumisel.ΔrGo= -213 kJ / mol, mis on toodete ja reagentide Gibbsi vaba energia erinevus.
Galvaanilise elemendi pinge
Kui lahutada galvaanilise elemendi elektrokeemiline reaktsioon oksüdatsiooni ja redutseerimise poolreaktsioonideks protsessides saate summeerida vastavad elektromotoorjõud, et saada süsteemis kasutatud kogu pinge erinevus kamber.
Näiteks võib tüüpiline galvaanielement kasutada CuSO4 ja ZnSO4 standardsete võimalike poolreaktsioonidega:Cu2+ + 2 e− ⇌ Cuvastava elektromotoorse potentsiaaligaEo = +0,34 VjaZn2+ + 2 e− ⇌ ZnpotentsiaaligaEo = −0,76 V.
Üldise reaktsiooni jaoksCu2+ + Zn ⇌ Cu + Zn2+ , võite tsingi poole reaktsioonivõrrandi "klappida", keerates samal ajal elektromotoorjõu märkiZn ⇌ Zn2+ + 2 e− koosEo = 0,76 V.Seejärel on üldine reaktsioonipotentsiaal, elektromotoorjõudude summa+0,34 V - (−0,76 V) = 1,10 V.
