Dispozitive de producere a curentului electric pe baza reactiilor chimice

Activitatea electronilor in reactiile chimice

Pana in acest moment nu am discutat in detaliu modul de functionare al bateriilor, ci am presupus pur si simplu ca acestea produc o tensiune constanta la bornele lor printr-un proces „misterios”. In cele ce urmeaza vom explora procesul in mare urmand sa facem niste precizari cu privire la utilizarea real 616f56g 59; a bateriilor in sistemele electrice.

Am discutat in primul capitol despre conceptul de atom. Atomii sunt compusi din parti mai mici denumite particule. Particulele elementare dintr-un atom sunt electronii, protonii si neutronii. Fiecare dintre aceste particule joaca rolul ei in comportamentul atomului. Activitatea electrica implica miscarea electronilor, iar identitatea chimica (ce determina in mare tipul de material: coductiv/izolator) este determinata de numarul protonilor din nucleu.

Dislocarea protonilor din nucleul atomului este foarte greu de realizat, de aici si stabilitatea identitatii chimice a atomilor in general. Indepartarea electronilor, in schimb, este mult mai usor de realizat. Dupa cum am vazut, frecarea este unul dintre procedeele prin care electronii pot fi „mutati” de pe un material pe altul, la fel este si caldura, procedeu evidentiat in cazul termocuplei.

Electronii pot servi insa si unui alt scop: legarea atomilor intre ei. Aceasta legare a atomilor prin intermediul electronilor poarta numele de legatura chimica. O reprezentare simplificata a unei asemenea legaturi dintre doi atomi arata asfel:

Exista mai multe tipuri de legaturi chimice, cea de sus fiind una covalenta, caracterizata prin impartirea electronilor de catre atomi. Deoarece aceste legaturi sunt bazate pe legaturi formate de electroni, ele nu pot fi mai puternice decat gradul de imobilitate al electronilor constituenti. Ceea ce vrem sa spunem este ca aceste legaturi chimice pot fi create sau desfacute de aceleasi forte ce induc deplasarea electronilor: caldura, lumina, frecarea, etc.

Atunci cand atomii sunt legati intre ei prin legaturi chimice, acestia formeaza materiale cu proprietati unice numite molecule. Desenul de mai sus, cu doi atomi de acelasi tip legati, este un exemplu de molecula simpla. Majoritatea moleculelor sunt formate insa din tipuri diferite de atomi. Chiar si moleculele formate din atomi de acelasi tip pot prezenta proprietati fizice radical diferite.

Insa, pentru studierea bateriilor, trebuie sa introducem un alt tip de legatura chimica, cea ionica. Aceasta difera fata de legatura covalenta prin faptul ca un atom al moleculei poseda un exces de electroni iar celalalt atom are electroni in minus; in acest caz, legatura dintre atomi este rezultatul atractiei electrostatice dintre cele doua sarcini diferite („+” si „-”). Atunci cand legaturile ionice iau nastere din atomi neutrii, exista de fapt un transfer de electroni dintre atomii pozitivi si negativi din punct de vedere electric. Este bine de stiut faptul ca moleculele contine de obicei ambele tipuri de legaturi chimice. Hidroxidul de sodiu (NaOH) este format dintr-o legatura ionica dintre atomul de sodiu (pozitiv) si ionul hidroxil (negativ). Ionul hidroxil formeaza o legatura covalenta (simbolizata prin bara) intre hidrogen si atomii de oxigen:

 Na⁺ O—H^-

Sodiul pierde doar un electroc, sarcina lui fiind +1 in exemplul de mai sus. Daca un atom pierde mai mult de un electron, sarcina rezultata poate fi desemnata prin +2, +3, +4, etc. sau printr-o cifra romana in paranteze ce desemneaza starea sa de oxidare (pierderea electronilor), asfel: (I), (II), (IV), etc. Unii atomi pot avea mai multe stari de oxidare, si este bine sa precizam starea de oxidare in formula moleculara pentru evitarea confuziilor.

Formarea ionilor si a legaturilor ionice din atomi neutrii sau molecule (sau invers) presupune transferul de electroni. Acest transfer poate fi folosit pentru generarea curentului electric. Un dispozitiv construit special in acest scop poarta denumirea de pila voltaica sau, pe scurt, pila; aceasta este de obicei formata din doi electrozi metalic introdusi intr-o substanta chimica denumita electrolit special conceputa pentru facilitarea unei asfel de reactii electrochimice (oxidare/reducere):

Pila folosita pentru automobile este de obicei cea de „plumb-acid”. Electrodul negativ este confectionat din plumb (Pb), iar cel pozitiv din dioxid de plumb (IV) (PbO₂), ambele substante fiind metalice. Solutia de electrolit este o solutie diluata de acid sulfuric (H₂SO₄ + H₂O). Daca electrozii pilei sunt conectati la un circuit extern, asfel incat sa fie posibila deplasarea electronilor de la un electrod la celalalt, atomii de plumb (IV) din electrodul pozitiv (PbO₂ vor castiga fiecare cate doi electroni pentru a produe Pb(II)O. Atomii de oxigen rezultati se vor combina cu ionii pozitivi de hidrogen (H)⁺ si formeaza apa (H₂O). Aceasta deplasare a electrolinor spre electrodul PbO₂ ii confera o sarcina pozitiva. Atomii de plumb din electrodul negativ cedeaza fiecare cate doi electroni pentru a produce plumb Pb(II), care in conbinatie cu ionii de sulfat (SO₄^-2), produsi prin disociatia ionilor de hidrogen (H⁺) din acidul sulfuric (H₂SO₄), formeaza sulfatul de plumb (PbSO₄. Deplasarea electronilor dinspre electrodul de plumb ii confera sarcina electrica negativa. Aceste reactii sunt reprezentate mai jos:

Acest proces prin care pila produce energie pentru alimentarea sarcinii se numeste descarcare si provine de la faptul ca aceasta isi epuizeaza rezervele chimice interne in urma acestui proces. Teoretic, dupa ce intreaga cantitate de acid sulfuric se consuma, din pilamai raman cei doi electrozi de sulfat de plumb (PbSO₄) si o solutie electrolitica de apa pura (H₂O); aceasta situatie nu mai permite formarea legaturilor ionice aditionale. In acest moment, pila se spune ca este complet descarcata. Stadiul de incarcare poate fi determinat in acest caz de concentratia solutiei acide.

Nu toate pilele voltaice sunt construite pe baza acelorasi reactii chimice, dar lucrul cel mai important de retinut este ca electronii sunt „motivati” sa se deplaseze intre cei doi electrozi de catre reactiile ionice dintre moleculele electrozilor si moleculele electrolitului. Reactia este activata atunci cand exista un drum exterior inchis (complet) pentru formarea curentului electric. La intreruperea acestui circuit, reactiile chimice inceteaza.

Valoarea tensiunii generate de o celula depinde de tipul reactiilor chimice ce au loc in interiorul acesteia, mai bine spus, de configuratia chimica a celulei. In exemplul de mai sus, pila de plumb-acid prezinta la bornele sale o tensiune nominala de 2.04 V, atunci cand este incarcata la maxim (cocentratia de acid ridicata). Pila Edison, confenctionata din oxid de nickel (electrodul pozitiv) si fier (electrodul negativ), cu o solutie electrolitica de hidroxid de potasiu genereaza o tensiune nominala de 1.2 V.

Incarcarea pilei voltaice

In cazul anumitor tipuri de pile, reactiile chimice pot fi inversate fortand curgerea curentului in sens invers prin pila. Acest proces poarta denumirea de incarcare. O asfel de pila reincarcabila se numeste pila secundara. O pila a carei compozitii chimice nu poate fi readusa la starea initiala se numeste pila primara.

Incarcarea unei pile de plumb-acid printr-o sursa de curent externa duce la inversarea reactiilor chimice din interiorul acesteia: