化学反応における電子活性

これまでのところ、電気と電気回路に関する議論では、バッテリーがどのように機能するかについては詳細に議論していません。むしろ、ある種の不思議なプロセスを通じて定電圧を生成すると単純に仮定しました。ここでは、そのプロセスをある程度調査し、実際のバッテリーと電力システムでの使用に関連する実際的な考慮事項のいくつかをカバーします。

この本の最初の章では、アトムの概念 すべてのマテリアルオブジェクトの基本的な構成要素と同様に、議論されました。次に、原子は、粒子と呼ばれるさらに小さな物質で構成されます。 。電子、陽子、および中性子は、原子に見られる粒子の基本的なタイプです。これらの粒子タイプのそれぞれは、原子の振る舞いにおいて異なる役割を果たします。電気的活動には電子の動きが含まれますが、原子の化学的同一性（材料の導電性を大きく左右する）は、原子核（中央）の陽子の数によって決まります。

原子核内の陽子は取り除くのが非常に難しいため、原子の化学的同一性は非常に安定しています。古代の錬金術師の目標の1つ（鉛を金に変えること）は、この原子以下の安定性によって失敗しました。熱、光、または摩擦によって原子のこの特性を変更するためのすべての努力は失敗に終わりました。ただし、原子の電子ははるかに簡単に除去されます。すでに見てきたように、摩擦は、電子をある原子から別の原子（ガラスと絹、ワックスと羊毛）に移動させる方法の1つであり、熱（異種金属の接合部を加熱して電圧を生成する場合のように）です。熱電対の）。

化学結合の種類

電子は、原子間を移動するだけでなく、さまざまな原子をつなぐ役割も果たします。この電子による原子の結合は、化学結合と呼ばれます。 。 2つの原子間のこのような結合の大まかな（および簡略化された）表現は、次のようになります。

化学結合にはいくつかの種類がありますが、上に示したものは共有結合を表しています。 結合。電子は原子間で共有されます。化学結合は電子によって形成されるリンクに基づいているため、これらの結合は、それらを形成する電子の不動性と同じくらい強力です。つまり、化学結合は、電子を動かすのと同じ力（熱、光、摩擦など）によって作成または切断される可能性があります。

原子が化学結合によって結合されると、分子と呼ばれる独自の特性を持つ材料を形成します。 。上に示した二重原子の写真は、同じタイプの2つの原子によって形成された単純な分子の例です。ほとんどの分子は、さまざまな種類の原子の結合です。同じタイプの原子によって形成された分子でさえ、根本的に異なる物理的特性を持つ可能性があります。たとえば、炭素元素を考えてみましょう。1つの形式では、グラファイト 、炭素原子が互いに結合して平らな「プレート」を形成し、互いに非常に簡単にスライドして、グラファイトにその自然な潤滑特性を与えます。別の形式では、ダイヤモンド 、同じ炭素原子が異なる構成で互いに結合し、今回は連動するピラミッドの形で、硬度を超える材料を形成します。さらに別の形式では、フラーレン 数十個の炭素原子が各分子を形成し、サッカーボールのように見えます。フラーレン分子は非常に壊れやすく軽量です。アセチレンガスの過度に豊富な燃焼によって形成される風通しの良い煤（酸素アセチレン溶接/切断トーチの最初の点火のように）には、多くのフラーレン分子が含まれています。

錬金術師が熱、光、摩擦、または他の物質との混合によって物質の特性を変えることに成功したとき、彼らは原子が壊れて他の原子と結合を形成することによって形成される分子の種類の変化を実際に観察していました。化学は錬金術の現代版であり、主にこれらの化学結合の特性とそれに関連する反応に関係しています。

電池の研究で特に興味深い化学結合の一種は、いわゆるイオンです。 結合し、共有結合とは異なります 分子の1つの原子が過剰な電子を持ち、別の原子が電子を欠いているという点で結合します。それらの間の結合は、2つの異なる電荷間の静電引力の結果です。

中性原子からイオン結合が形成されると、正と負に帯電した原子間で電子が移動します。過剰な電子を獲得する原子は、還元されると言われます。;電子が不足している原子は酸化されていると言われています 。定義を覚えておくのに役立つニーモニックはOILRIGです（酸化は少なく、減少は得られます）。分子にはイオン結合と共有結合の両方が含まれることが多いことに注意することが重要です。水酸化ナトリウム（灰汁、NaOH）は、ナトリウム原子（正）とヒドロキシルイオン（負）の間にイオン結合を持っています。ヒドロキシルイオンは、水素原子と酸素原子の間に共有結合（バーとして表示）を持っています：

Na + O-H-ナトリウムは1つの電子しか失うので、上記の例ではその電荷は+1です。原子が複数の電子を失った場合、結果として生じる電荷は+ 2、+ 3、+ 4などとして示されるか、（I）、（II）、（I）、（II）、（ IV）など。一部の原子は複数の酸化状態を持つ可能性があり、あいまいさを避けるために分子式に酸化状態を含めることが重要な場合があります。

ボルタ電池はどのように機能しますか？

中性原子または分子からのイオンおよびイオン結合の形成（またはその逆 ）電子の移動を伴います。その電子の移動を利用して電流を生成することができます。これを行うために構築されたデバイスは、ボルタ電池と呼ばれます。 、またはセル 略して、通常、化学混合物（電解質と呼ばれる）に浸された2つの金属電極で構成されます ）そのような電気化学的（酸化/還元）反応を促進するように設計されています：

一般的な「鉛蓄電池」（自動車で一般的に使用されている種類）では、負極は鉛（Pb）でできており、正極は二酸化鉛（IV）（PbO2）でできています。どちらも金属物質です。通常は絶縁体である他の金属酸化物とは異なり、二酸化鉛は金属であり、導電体であることに注意することが重要です。 （注：下の表）電解液は希硫酸（H2SO4 + H2O）です。セルの電極が外部回路に接続されていて、電子が一方から他方に流れる場所がある場合、正極（PbO2）の鉛（IV）原子はそれぞれ2つの電子を獲得して、Pb（II）を生成します。 O。 「残り」の酸素原子は、正に帯電した水素イオン（H）+と結合して水（H2O）を形成します。二酸化鉛（PbO2）電極へのこの電子の流れは、それに正の電荷を与えます。その結果、負極の鉛原子はそれぞれ2つの電子を放出して、硫酸（H2SO4）からの水素イオン（H +）の解離から生成された硫酸イオン（SO4-2）と結合する鉛Pb（II）を生成します。硫酸鉛（PbSO4）を形成します。リード電極からの電子の流れは、それに負の電荷を与えます。これらの反応を以下に図式的に示します。

酸化鉛の命名法に関する注記： 酸化鉛の命名法は混乱を招く可能性があります。酸化鉛という用語は、Pb（II）OまたはPb（IV）O2のいずれかを指す場合があり、正しい化合物は通常、状況から判断できます。 Pb（IV）O2の他の同義語は、二酸化鉛、過酸化物鉛、酸化鉛、酸化鉛ブラウン、およびスーパーオキシド鉛です。過酸化物鉛という用語は、鉛（II）と2つの酸素原子Pb（II）O2の化合物を意味するため、特に混乱を招きます。これは明らかに存在しません。残念ながら、過酸化物鉛という用語は、産業文献で存続しています。このセクションでは、二酸化鉛はPb（IV）O2を指し、酸化鉛はPb（II）Oを指します。通常、酸化状態は表示されません。

負荷を供給するために電気エネルギーを供給するセルのこのプロセスは、放電と呼ばれます。 それはその内部の化学物質の蓄えを使い果たしているからです。理論的には、すべての硫酸が使い果たされると、硫酸鉛（PbSO4）の2つの電極と、純水の電解質溶液（H2O）が生成され、追加のイオン結合の容量がなくなります。この状態では、セルは完全に放電されたと言われます。 。鉛蓄電池では、充電状態は酸の強さの分析によって決定することができます。これは、比重計と呼ばれる装置で簡単に実現できます。 、電解質の比重（密度）を測定します。硫酸は水よりも密度が高いため、セルの電荷が大きいほど酸濃度が高くなり、電解質溶液の密度が高くなります。

すべてのボルタ電池を代表する単一の化学反応は存在しないため、化学の詳細な説明は、限られた用途しかありません。理解しておくべき重要なことは、電子は電極分子と電解質分子の間のイオン反応を介して細胞の電極に、および/または細胞の電極から動機付けられるということです。反応は、電流の外部経路がある場合に有効になり、その経路が切断されると停止します。

電子がセル内を移動する動機は本質的に化学的なものであるため、セルによって生成される電圧（起電力）の量は、そのセルタイプの特定の化学反応に固有のものになります。たとえば、今説明した鉛蓄電池の公称電圧は、良好な物理的状態の完全に「充電された」セル（酸濃度が強い）に基づいて、セルあたり2.04ボルトです。特定の電圧出力が異なる他のタイプのセルがあります。 エジソンセル たとえば、酸化ニッケル製の正極、鉄製の負極、および水酸化カリウムの電解質溶液（酸性ではなく苛性物質）を使用すると、特定の違いにより、公称電圧はわずか1.2ボルトになります。それらの電極および電解質物質との化学反応において。

一部のタイプのセルの化学反応は、セルに電流を逆流させることで逆転させることができます（ in 負極と out 正極）。このプロセスは充電と呼ばれます 。このような（充電式）セルは、セカンダリセルと呼ばれます。 。逆電流で化学的性質を逆転させることができないセルは、一次電池と呼ばれます。 。

鉛蓄電池が外部電流源によって充電されると、放電中に発生する化学反応が逆転します。

レビュー：

• 電子によって結合された原子は分子と呼ばれます 。
• イオン結合 電子不足の原子（正イオン）が電子過剰の原子（負イオン）と結合したときに形成される分子結合です。
• 電気化学反応には、原子間の電子の移動が含まれます。この転送を利用して電流を形成することができます。
• セル は、このような化学反応を利用して電流を生成するように構築されたデバイスです。
• セルは放電されたと言われます 内部の化学物質の埋蔵量が使用によって枯渇したとき。
• セカンダリ セルの化学的性質は、セルに電流を逆流させることで逆転（再充電）できます。
• プライマリ セルを実際に再充電することはできません。
• 鉛蓄電池の電荷は、比重計と呼ばれる機器で評価できます。 、電解液の密度を測定します。電解質の密度が高いほど、酸濃度が高くなり、セルの電荷状態が高くなります。

関連するワークシート：

• 原子構造ワークシート