在化学反应的电子活动

到目前为止,在我们讨论电力和电路,我们没有任何详细地讨论电池的功能。 相反,我们只是假定它们产生恒定电压通过某种神秘的过程。 在这里,我们将探讨这一过程在某种程度上和求职的一些实际问题涉及真正的电池和电力系统的使用。

在这本书的第一章的概念原子讨论了,是所有物质的基本结构单元。 反过来,原子是由更小的物质粒子。 电子,质子,中子粒子中原子的基本类型。 这些粒子类型中扮演着不同的角色在一个原子的行为。 而电活动涉及电子的运动,原子的化学特性(这在很大程度上决定了如何)导电材料是由原子核中的质子数(中心)。

一个原子的原子核中质子是极难对付,所以任何原子的化学特性很稳定。 的目标之一古代炼金术士(将铅转化为金)被这种亚原子稳定性挫败。 所有努力改变这个属性的一个原子通过热、光或摩擦遭遇了失败。 然而,一个原子的电子更容易脱落。 正如我们已经看到的,摩擦是一种电子从一个原子可以被转移到另一个(玻璃和丝绸、蜡、羊毛),所以热量(生成电压通过加热不同金属的连接,如热电偶的情况下)。

能做的不仅仅是移动电子和原子间:他们也可以用来连接不同的原子聚集在一起。 这种链接被称为原子的电子化学键。 这样的原油(简化)表示两个原子之间的键可能看起来像这样:

有几种类型的化学键,上面所示的一个代表共价债券,电子在原子之间共享。 因为是基于化学键链接形成的电子,这些债券只是像电子的静止的形成。 也就是说,可以创造或打破化学键力力量,电子移动:热、光、摩擦等。

当原子加入了化学键,形成被称为材料具有独特的属性分子。 dual-atom图片上面显示的一个例子是一个简单的分子由相同类型的两个原子。 大多数分子结合不同类型的原子。 即使是相同类型的分子由原子可以有完全不同的物理性质。 以碳元素为例:在一个形式,石墨,碳原子连接在一起,形成平坦的“盘子”,对彼此很容易滑动,使石墨其自然润滑特性。 在另一种形式,钻石,同样的碳原子连接在一起,不同的配置,这一次在联锁金字塔的形状,形成一个超过材料硬度。 在另一形式富勒烯,几十个碳原子形成每个分子,这看起来像一个足球。 富勒烯分子非常脆弱和轻量级。 过于丰富的乙炔燃烧形成的艾里烟尘气体(如氧乙炔焊接/切割的初始点火火炬)包含许多富勒烯分子。

当炼金术士成功地改变了物质的热性质,光,摩擦,或与其他物质混合,他们真的是观察的变化类型的分子由原子破坏和形成债券与其他原子。 化学与现代炼金术,主要关注这些化学键的性质和与他们相关的反应。

一种化学键特别感兴趣的我们的电池是所谓的研究离子债券,它不同于共价债券在一个原子的分子拥有过多的电子而另一个原子缺少电子,它们之间的债券是由于两者之间的静电吸引和指控。 当离子键形成中性原子,有一个带正、负电荷之间的电子转移原子。 一个原子,获得过多的电子被认为是减少; 一个原子电子被认为是缺乏的氧化。 一种帮助记忆的助记符的定义是石油钻井平台(氧化少; 减少了)。 重要的是要注意,分子通常会同时包含离子和共价键。 氢氧化钠(氢氧化钠碱液)钠原子之间的离子键(正面)和羟基离子(负)。 羟基离子共价键(显示为一个酒吧)氢原子和氧原子之间:

Na 地-

钠只失去一个电子,所以它的电荷是 1在上面的例子中。 如果一个原子失去一个电子多,由此产生的费用可以表示为 2, 3, 4,等或罗马数字在括号中显示氧化态,如(I)、(二)、(四)等一些原子可以有多个氧化态,它有时是很重要的,包括氧化态的分子式,避免歧义。

离子和离子键的形成(或中性原子或分子反之亦然)是电子的转移。 电子转移可以被用来产生电流。 设备构造做到这叫做伏打电池,或细胞短,通常由两个金属电极浸在一种化学混合物(称为一个电解液)旨在促进这样的电化学氧化/还原反应:

共同“铅酸电池(一种通常用于汽车),负电极是由铅(Pb)和积极的引导(IV)二氧化碳(Pb02),这两个金属物质。 重要的是要注意,二氧化铅是金属和电子导体,不像其他金属氧化物通常是绝缘体。 (注:表下面)电解质溶液稀释硫酸(H2所以4 H2O)。如果细胞的电极连接到外部电路,这样电子有一个流从一个到另一个地方,铅(IV)在正极(PbO原子2)将获得两个电子生产Pb (II) O。 “剩下”的氧原子结合带正电的氢离子(H) 形成水(H2O),电子流入到二氧化铅(PbO2)电极,使其积极的电荷。 因此,铅原子的负电极放弃两个电子生产铅Pb (II),结合硫酸盐离子(4-2)的分解产生氢离子(H 从硫酸(H)2所以4)形成硫酸铅(PbSO4)。 电子的流动的铅电极给它一个负的电荷。 这些反应是diagrammitically所示:(DOE)

注意氧化铅命名法

这个过程的细胞提供电能供给负载卸货,因为它是其内部化学储备耗尽。 从理论上讲,耗尽所有的硫酸后,结果将是两个电极的硫酸铅(PbSO4纯净水)和电解质溶液(H2O),导致没有更多的额外的离子结合的能力。 在这种状态下,细胞被认为是完全放电。 铅酸电池的电荷状态可以由一个酸强度的分析。 这很容易称为设备来完成液体比重计衡量电解液的比重(密度)。 硫酸的密度比水大细胞的电荷,酸浓度越大,因此一个密集的电解液的解决方案。

没有单一的化学反应代表的伏打电池,所以任何的详细讨论化学必将应用有限。 重要的是要理解的是,电子从细胞的动力和/或电极通过离子电极和电解质分子分子之间的反应。 反应时启用外部电流路径,和停止当路径坏了。

是电子转移的动机通过细胞化学在自然界中,电压的量(电动势)所产生的任何细胞将特定于特定化学反应的细胞类型。 例如,刚刚描述的铅酸电池的额定电压2.04伏电池,基于一个完全“带电”细胞(酸浓度强烈)身体状况良好。 还有其他类型的细胞有不同的特定的电压输出。 的爱迪生细胞,例如,氧化镍制成的正极,负极由铁、和电解质溶液的氢氧化钾(一个刻薄的,不是酸,物质)只生成一个额定电压1.2伏,由于特定化学反应的差异与电极和电解质物质。

某些类型的细胞的化学反应可以扭转向后通过强制电流通过电池(在负电极和出正极)。 这个过程称为充电。 任何此类细胞被称为(可充电)二次电池。 细胞的化学不能反向电流称为逆转原代细胞。

铅酸电池时收取的外部电流源,在放电化学反应有经验是相反的:

• 点评:
• 原子由电子联系在一起分子。
• 离子键分子结合时形成一个缺电子原子(正离子)加入electron-excessive原子(负离子)。
• 电化学反应涉及电子原子间的转移。 这种转移可以利用形成电流。
• 一个细胞是利用设备建造这样的化学反应产生电流。
• 据说一个细胞出院当其内部化学通过使用储备被耗尽。
• 一个二次细胞的化学能够逆转(充电)向后通过强制电流通过它。
• 一个主细胞几乎不能充电。
• 铅酸电池充电可以用乐器叫做进行评估液体比重计衡量液体电解液的密度。 密集的电解质,酸浓度越强,和更大的电荷状态的细胞。

电池结构

这个词电池仅仅意味着一群类似的组件。 在军事词汇,“电池”是指一群枪。 在电力,一个“电池”是一组伏打电池设计提供更大的电压或电流比是可能的一个细胞。

细胞的标志很简单,由一个长队,一个短的线,相互平行,连接导线:

电池的符号只不过是几单元符号堆在系列:

就像之前提到的,任何特定类型的细胞产生的电压确定严格的化学,细胞类型。 细胞的大小对其电压无关。 获得的输出电压大于单个细胞,多个单元必须连接在系列。 一个电池的总电压电池电压的总和。 一个典型的汽车铅酸电池有6个细胞,为名义6 x 2.0或12.0伏电压输出:

中包含的细胞在一个汽车电池相同的硬橡胶住房、酒吧与厚连接在一起,反而电线。 电极和电解质的解决方案对于每一个细胞都包含在单独的,分区部分电池的情况下。 在大型电池,电极通常采取薄金属网格的形状或盘子,和通常被称为盘子相反的电极。

为了方便,电池符号通常仅限于四行,交替长/短,虽然它所代表的真正的电池可能有更多的细胞。 然而,有时你可能会遇到一个象征的电池异常高压,故意用额外的线。 行,当然,代表单个细胞板:

如果一个细胞的物理尺寸没有影响它的电压,那么它会影响什么? 答案是阻力,进而影响当前的细胞能提供的最大数量。 每伏打电池包含一定数量的内部阻力由于电极和电解质。 较大的细胞构造,电极与电解液接触面积越大,因此内部阻力越小。

尽管我们通常认为电池或电池电压的电路是一个完美的来源(常量),目前完全的决定外部电阻的电路连接,在现实生活中并不完全如此。 因为每个细胞或电池包含一些内部阻力,阻力必须影响当前在任何给定的电路:

真正的电池上面所示虚线内的内部阻力0.2Ω,影响其供给的能力当前的负载电阻1Ω。 左边的理想电池没有内部阻力,所以我们的欧姆定律计算电流(I = E / R)给我们一个完美的价值10安培的电流供应1欧姆负载和10伏特。 真正的电池,内置电阻进一步阻碍电子的流动,只能供应8.333安培到相同的电阻负载。

理想的电池,与0Ω电阻短路,将能够提供一个无限数量的电流。 另一方面,真正的电池只能供应50安培(10伏特/ 0.2Ω)0Ω电阻短路,由于其内部阻力。 细胞内的化学反应可能仍然提供10伏特,但电压下降,电子流过电池内部电阻,从而降低电池的电压可以在终端负载。

因为我们生活在一个不完美的世界,不完美的电池,我们需要了解内部阻力等因素的影响。 通常情况下,电池放置在应用程序的内部阻力是微不足道的电路负载(短路电流远远超过正常的负载电流),所以性能非常接近理想电压源。

如果我们需要构建一个较低的电池电阻比一个细胞可以提供(更大的电流容量),我们将不得不并行细胞连接在一起:

从本质上讲,我们所做的就是确定戴维南等效的5个并行细胞(一种等效网络的一个电压源和一个串联电阻)。 相当于网络具有相同的源电压但抵抗任何单个细胞的一小部分在原网络。 并行连接细胞的整体效果是降低等效内阻,正如在总电阻并联电阻降低。 这个电池的等效内阻5每个细胞的细胞是1/5。 整体电压保持不变:2.0伏特。 如果电池的电池供电电路,电流通过每个单元将1/5的总电路电流,由于电流等于分裂等阻并行分支。

• 点评:
• 一个电池是一群细胞连接在一起更大的电压或电流能力。
• 细胞连接在系列(极性协助)导致更大的总电压。
• 物理细胞大小影响细胞电阻,进而影响细胞的能力供应电流电路。 一般来说,细胞越大,其内部阻力越少。
• 细胞连接在一起并行导致更少的总电阻,和潜在的更大的总电流。

电池评级

因为电池创建电子流电路通过交换电子离子的化学反应,有一个有限数量的分子在任何带电电池反应,必须有一个有限的总电子,电池可以通过电路激励之前,其能源储备耗尽。 电池容量可以测量电子的总数,但这将是一个巨大的数字。 我们可以使用的单位库仑(等于6.25 x 1018电子,或6250000000000000000电子)的数量更实用,而是一个新的单位,小时,是为这个目的。 自1安培实际上是一个流量每秒1电子库仑,一小时有3600秒,我们国家之间的正比例库仑amp-hours: 1小时= 3600库仑。 为什么编一个新单位当一个老会做得很好吗? 让你的生活作为学生和技术人员更加困难,当然!

电池容量的1小时应该能够持续供应1安培的电流负载为1小时,或2安培1/2小时,或1/3 amp为3小时,等等,成为完全放电之前。 在一个理想的电池,这连续电流和放电时间之间的关系是稳定的和绝对的,但真正的电池不按照这个简单的线性公式表示。 因此,当小时能力给出一个电池,它是指定在一个给定的电流,给定的时间,或者认为是额定8小时的时间(如果没有限制因素)。

例如,平均汽车电池可能有一个容量约70 amp-hours,指定3.5安培的电流。 这意味着这个电池可以持续供应的时间3.5安培的电流负载将20小时(70 amp-hours / 3.5安培)。 但假设低阻负载连接到电池,不断吸引70安培。 小时方程告诉我们,电池应该坚持到底1小时(70 amp-hours / 70安培),但这可能不是真正的现实生活中。 较高的电流,电池将消散在其内部阻力更多的热量,这改变化学反应发生的影响。 机会是,电池完全放电一段时间之前1小时的计算时间在这个更大的负荷。

相反,如果一个轻负荷(1 mA)被连接到电池,我们的方程告诉我们,电池应该为70000小时提供电力,或者只是在8年(70 amp-hours / 1毫安),但奇怪的是,大部分的化学能量在一个真正的电池会被排干由于其他因素(电解液的蒸发,恶化电极,泄漏电流在电池)之前经过8年。 因此,我们必须采取小时电池寿命之间的关系作为一个理想的近似,小时评级信任只有在当前或指定时间间隔由制造商。 一些制造商将提供小时降额因子对总容量的减少指定不同的电流和/或温度。

二次电池,小时评级提供了必要的充电时间的规则在任何给定水平的充电电流。 例如,70小时的汽车蓄电池前面的示例应该充电10小时fully-discharged国家7以恒定的充电电流安培(70 amp-hours / 7安培)。

近似小时能力给出了一些常见的电池:

• 典型的汽车电池:70 3.5 amp-hours @(蓄电池)
• d型号的碳锌电池:4.5 amp-hours @ 100 mA(原代细胞)
• 9伏碳锌电池:400毫安时@ 8马(原代细胞)

电池放电,它不仅降低其内部存储的能量,但其内部阻力也增加(如电解液变得越来越不导电),和其开路电压下降(如化学品越来越稀释)。 最假的变化,电池放电展览增加阻力。 最好的检查是一个电压测量电池的条件在负载下,而电池提供大量电流通过电路。 否则,对面的一个简单的电压表检查终端可能错误地显示一个健康的电池(足够的电压),尽管内部阻力大大增加了。 什么构成“重大电流”是由电池的设计参数。 电压表检查揭示电压过低,当然,会积极表示电池放电:

完全充电电池:

现在,如果电池放电的一点。

。 和排放远一点。

。 远一点,直到它死了。

注意更好的电池的真实情况是显示当其负载电压检查而不是没有负载。 这是否意味着其意义来检查电池只有一个电压表(空载)? 嗯,没有。 如果一个简单的电压表检查显示只有7.5伏特13.2伏特电池,然后你知道毫无疑问它死了。 然而,如果电压表显示12.5伏,它可能是接近全负荷或有所减少——你不能告诉没有加载检查。 还应该牢记的是电阻用于放置一个电池必须额定负载下的权力将会消散。 检查汽车等大型电池(12伏的名义)铅酸电池,这可能意味着一个电阻器的额定功率几百瓦。

• 点评:
• 的小时电池能源容量单位,等于连续流的数量乘以放电时间,电池可以供应之前耗尽其内部存储的化学能。
• 
  
• 一个小时电池评级只是一个近似的电池的充电能力,而且应该被信任只在当前水平或时间由制造商指定的。 这样一个评级不能外推高电流或很长时间准确。
• 电池放电失去电压和增加阻力。 是最好的检查电瓶电压负载测试。

专用电池

在早期的电气测量技术,一种特殊类型的电池称为汞标准电池被广泛用作电压校准标准。 水银电池的输出为1.0183到1.0194伏特直流(取决于具体设计的细胞),随着时间的推移,非常稳定。 广告漂移是每年大约0.004%的额定电压。 有时被称为汞标准细胞韦斯顿细胞或镉电池。

不幸的是,汞细胞,而不能容忍任何电流损耗,甚至不能被测量与模拟电压表在不影响精度。 制造商通常要求不超过0.1 mA电流通过细胞,甚至这一数字被认为是短暂的,或飙升最大! 因此,标准电池只能测量与电位(零点平衡)设备电流损耗几乎为零。 禁止汞电池短路,短路后,细胞就永远也不会再依赖作为标准设备。

汞标准电池也容易受到轻微的电压如果身体或热扰动的变化。 两种不同类型的汞标准电池是用于不同的校准:饱和和不饱和。 饱和标准电池提供最大的电压稳定,热不稳定性为代价。 换句话说,他们的电压漂移非常小的随着时间的流逝(几微伏超过十年的跨度!),但往往随温度变化(数万微伏每摄氏度)。 这些细胞功能的温度控制的实验室环境下长期稳定是至关重要的。 不饱和细胞提供热稳定性的稳定性随着时间的推移,与温度变化剩余电压几乎不变,但每年约有100µV稳步下降。 这些细胞的功能最好的“字段”校准设备在环境温度不精确控制。 饱和电池额定电压为1.0186伏,1.019伏特和不饱和细胞。

现代半导体电压(齐纳二极管调节器)引用取代标准电池实验室和现场电压标准。

一个吸引人的设备与原代细胞电池是紧密相关的燃料电池所谓的,因为它利用燃烧的化学反应产生电流。 化学氧化的过程(氧气具有离子结合与其他元素)能产生一个电子在两个电极之间流动一样金属和电解质的任意组合。 燃料电池可以被认为是一个电池和外部提供的化学能量来源。

到目前为止,最成功的燃料电池构造是那些运行在氢气和氧气,虽然许多研究已经完成细胞使用碳氢化合物燃料。 而“燃烧”氢、燃料电池只是浪费副产品是水和少量的热量。 当操作在含碳燃料,二氧化碳也发布了作为副产品。 因为现代燃料电池的工作温度远低于正常燃烧,没有氮氧化物(nox)形成,使它更少污染,所有其他因素不变。

燃料电池的能量转换效率从化学电远远超过任何内燃机的理论卡诺效率的限制,这是一个令人兴奋的前景发电和混合动力电动汽车。

另一种是“电池”太阳能电池、半导体电子革命的副产品。 的光电效应,电子从原子的影响下,物理学已经知道了几十年的人,但它只有在最近的半导体技术的进步,设备能够利用这种效应存在任何实际的学位。 硅太阳能电池的转换效率仍然很低,但是他们的电源有很多好处:没有移动部件,没有噪音,没有废物或污染(除了制造太阳能电池,它仍然是一个相当“脏”的行业),和无限的生活。

太阳能电池技术的具体成本(美元/千瓦)仍然很高,几乎没有显著下降的前景禁止某种革命性的技术进步。 与半导体材料制成的电子元件可以越来越小的少废料由于更好的质量控制,一个太阳能电池仍然需要相同数量的超纯硅像三十年前那样。 优质控制不能产生同样的生产获得的芯片和制造晶体管(孤立的杂质斑点会毁了许多微电路在一个硅晶片)。 相同数量的不洁净的夹杂物没有影响整个三英寸的太阳能电池的效率。

另一个类型的专用“电池”化学检测细胞。 简单地说,这些细胞与特定的物质在空气中发生化学反应从而创建一个电压直接与物质的浓度成正比。 共同申请化学检测细胞在氧浓度的检测和测量。 许多便携式氧气分析仪设计这些小细胞。 细胞化学必须设计来匹配特定的物质(s)发现,和细胞倾向于“磨损”,作为电极材料消耗或成为污染的使用。

• 点评:
• 汞标准电池是曾经作为特殊类型的电池电压校准标准出现之前精密半导体设备的引用。
• 一个燃料电池是一种电池,使用易燃燃料和氧化剂作为反应物来发电。 他们承诺在未来的电力来源,“燃烧”燃料排放非常低。
• 一个太阳能电池使用环境光能量激发电子从一个电极,产生电压(和当前,提供外部电路)。
• 一个化学检测细胞是一种特殊类型的原电池产生电压应用物质的浓度成正比(通常是一个特定的环境空气中气体)。

实际考虑

当电池连接在一起形成更大的“银行”(电池组成电池的电池?),必须相互匹配,不会引起问题。 首先,我们将考虑连接在系列电池更大的电压:

我们知道当前是在串联电路中所有的点,所以不管数量的电流在任何一个串联电池必须相同的所有其他人。出于这个原因,每个电池都必须有相同的小时评级,否则电池将耗尽的比别人早,危及整个银行的能力。 请注意,本系列的总小时容量电池银行不受电池的数量的影响。

接下来,我们将考虑并行连接电池的大电流容量(较低的内部阻力),或更小时容量:

我们知道所有分支并联电路的电压是相等的,所以我们必须确保这些电池电压相等。 如果没有,我们将有相对较大的电流从一个电池通过另一个循环,低电压的电压电池的电池。 这是不好的。

在同样的主题,我们必须确保任何过载保护(断路器或保险丝)安装在这样一种方式,是有效的。 系列电池银行,一个保险丝将从过度的电流足以保护线路,因为任何打破一系列电路停止电流通过电路的各个部分:

与平行电池银行,一个保险丝是足够的对负载过流保护线路(并联电池和负载之间的),但是我们有其他问题来防止。 众所周知,电池内部短路,由于电极分离器失败,导致不平等问题和电池电压并联连接:好的电池将比失败(低电压)电池,造成较大的电流在电池的电线。 防范可能发生的事,我们应该保护每一个电池对过载与单个电池引线,除了负载融合:

在处理蓄电池电池时,必须特别注意充电的方法和时机。 不同类型的建设和电池有不同的充电需求,和制造商的建议可能是最好的指导时应遵循的设计或维护一个系统。 两个截然不同的问题的电池充电骑自行车和收费过高。 骑自行车的过程是指充电电池“满”状态,然后排放到一个较低的状态。 所有的电池都有一个有限的(有限)的循环寿命,和容许的“深度”周期(多远它应该随时出院)从设计到不同的设计。 收费过高是当前的条件继续被迫向后通过蓄电池以外的细胞已经达到了完全充电。 铅酸电池特别是,收费过高导致电解水的(“沸腾”电池的水)和缩短寿命。

任何电池电解液中含有水,由于电解生产氢气。 特别是充电铅酸电池,但不是那种独有。 氢是一种极易燃气体(特别是自由氧的存在是由相同的电解过程),无味,无色。 这种电池爆炸威胁甚至在正常操作条件下,,必须受到尊重。 作者亲眼目睹了铅酸电池爆炸,一个火花产生的移除电池充电器(小直流电源)从一个汽车电池电池外壳内点燃氢气,掀翻了电池和顶部泼硫酸无处不在。 这发生在一个高中的汽车商店,没有少。 如果不是因为附近所有的学生佩戴安全眼镜和buttoned-collar工作服,可能发生的伤害。

当连接和断开电池充电设备,总是让过去的连接(或第一次断开)在一个位置远离电池本身(如在一个点的一个电池电缆,至少有一只脚远离电池),以便任何合成火花点燃氢气很少或根本没有机会。

在永久安装电池的大型银行、电池配备排气帽上面每一个细胞,和氢气排放以外的电池室通过头罩立即在电池。 氢气很轻,迅速上升。 最大的危险是允许在一个地区累积,等待点火。

更现代的密封铅酸电池的设计,制作re-combine电解铝的氢气和氧气回到水、电池外壳里面。 足够的通风可能仍然是一个好主意,以防电池开发泄漏。(JOM)

• 点评:
• 连接电池串联电压增加,但不增加整体小时容量。
• 所有电池在一系列银行必须小时评级相同。
• 并行连接电池的总电流容量减少总阻力增加,同时也增加整体小时容量。
• 所有电池在一个平行的银行必须有相同的额定电压。
• 电池可以被过度受损骑自行车和收费过高。
• 水性电解质电池能够产生氢气爆炸,必须不允许积聚在一个区域。