BATERIJU VEIDI, RAKSTURLIELUMI UN REAKCIJA - ĶĪMIJA - 2025

Tirgū jūs varat iegādāties dažāda veida baterijas ar savām īpašībām . Baterijas, kas nav nekas cits kā kvēlspuldžu elementi, patērētājiem nodrošina priekšrocības, ja tās ņem elektrību jebkur (ja apstākļi nav drastiski).

Baterijas parasti var iegādāties izolētas; taču tie tiek panākti arī virknē vai paralēli viens otram apvienojot, kuru komplekts ir tas, ko viņi sauc par akumulatoriem. Un tas nozīmē, ka dažreiz termini “baterijas” un “baterijas” tiek izmantoti bez izšķirības, pat ja tie nav vieni un tie paši.

Sārmu baterijas: viens no populārākajiem bateriju veidiem. Avots: Pexels.

Krāvām var būt neskaitāmas krāsas, formas un izmēri, tāpat kā tās var izgatavot no citiem materiāliem. Tāpat, un vēl svarīgāk, tā iekšējā struktūra, kurā notiek ķīmiskās reakcijas, kas rada elektrību, kalpo to atšķiršanai no otra.

Piemēram, iepriekš redzamajā attēlā ir redzamas trīs sārmu baterijas, kas ir viena no visizplatītākajām. Termins sārmains attiecas uz faktu, ka vide, kurā notiek elektronu izdalīšanās un plūsma, ir pamata; tas ir, tā pH ir lielāks par 7, un pārsvarā ir OH ^- anjoni un citi negatīvi lādiņi.

Vispārīgais vērtējums

Pirms pievērsties dažāda veida akumulatoriem, kas tur pastāv, jāzina, ka tie visā pasaulē tiek klasificēti kā primārie vai sekundārie.

Primārs

Primārās baterijas ir tās, kuras pēc patērēšanas jāiznīcina vai jāpārstrādā, jo ķīmiskā reakcija, uz kuru balstās elektriskā strāva, ir neatgriezeniska. Tāpēc tos nevar uzlādēt.

Tos galvenokārt izmanto gadījumos, kad nav praktiski uzlādēt elektrisko enerģiju; piemēram, militārās ierīcēs, kaujas lauka vidū. Tāpat tie ir izstrādāti iekārtām, kuras patērē maz enerģijas, lai tās kalpotu ilgāk; piemēram, tālvadības pultis vai portatīvās konsoles (piemēram, Gameboy, Tetris un Tamagotchi).

Sārmu baterijas, lai citētu citu piemēru, arī pieder pie primārā tipa. Parasti tām ir cilindriskas formas, lai gan tas nenozīmē, ka cilindriskās baterijas nevar būt sekundāras vai atkārtoti uzlādējamas.

vidusskolas

Atšķirībā no primārajām baterijām, sekundārās baterijas var uzlādēt, tiklīdz tām ir beigusies enerģija.

Tas notiek tāpēc, ka tajās notiekošās ķīmiskās reakcijas ir atgriezeniskas, un tāpēc pēc noteikta sprieguma produkta sugas atkal reaģē, tādējādi atkal sākot reakciju.

Daži sekundārie elementi (saukti par baterijām) parasti ir mazi, tāpat kā primārie; tomēr tie ir paredzēti ierīcēm, kuras patērē vairāk enerģijas un kurām primāro akumulatoru izmantošana būtu ekonomiski un enerģētiski nepraktiska. Piemēram, mobilo tālruņu akumulatori satur sekundāros elementus.

Arī sekundārie elementi ir paredzēti lielām iekārtām vai shēmām; piemēram, automašīnu akumulatori, kas sastāv no vairākām baterijām vai elektrolītiskajiem elementiem.

Parasti tie ir dārgāki nekā primārie elementi un baterijas, taču ilgstošai lietošanai tie ir piemērotāki un efektīvāki varianti.

Citi aspekti

Skursteņus klasificē kā primāros vai sekundāros; bet komerciāli vai populāri tos parasti klasificē pēc formas (cilindriskas, taisnstūrveida, pogas tipa), paredzētās ierīces (kameras, transportlīdzekļi, kalkulatori), nosaukumiem (AA, AAA, C, D, N, A23 utt.) ), un to IEC un ANSI kodus.

Arī tādi raksturlielumi kā spriegums (no 1,2 līdz 12 voltiem), kā arī to lietderīgās lietošanas laiks un cenas ir atbildīgi par to, lai patērētājam tie tiktu klasificēti.

Bateriju veidu saraksts

-Karbons-cinks

Oglekļa-cinka akumulatori (pazīstami arī kā Leclanché elementi vai fizioloģiskā šķīduma akumulatori) ir vieni no primitīvākajiem, un pašlaik salīdzinājumā ar citām baterijām tiek uzskatīts, ka tie gandrīz nav izmantoti; it īpaši salīdzinājumā ar sārma baterijām, kurām, kaut arī tās ir nedaudz dārgākas, ir ilgāks kalpošanas laiks un spriegums.

Kā norāda nosaukums, tā elektrodi sastāv no cinka kannas un grafīta stieņa, kas attiecīgi atbilst anodam un katodam.

Pirmajā elektrodā, anodā, elektroni rodas metāliska cinka oksidācijas rezultātā. Pēc tam šie elektroni iet caur ārēju ķēdi, kas baro ierīci ar elektrisko enerģiju, un tad tie nonāk pie grafīta katoda, kur cikls tiek pabeigts, samazinot mangāna dioksīdu, kurā tas ir iegremdēts.

Reakcijas

Reakciju, kas notiek pie elektrodiem, ķīmiskie vienādojumi ir:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (anods)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (s) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (katods)

Šīs baterijas ir ļoti līdzīgas sārma baterijām: abas ir cilindriskas (piemēram, tādas, kā attēlā). Tomēr oglekļa-cinka baterijas var atšķirt, detalizēti izlasot raksturlielumus, kas marķēti uz ārpuses, vai ja to IEC kodam ir burts R. To spriegums ir 1,5 V.

-Alkaline

Sārmu baterijas ir ļoti līdzīgas oglekļa-cinka tipam, ar atšķirību, ka vidē, kurā atrodas elektrodi, ir OH ^- anjoni . Šī barotne sastāv no spēcīgiem kālija hidroksīda KOH elektrolītiem, kas veicina OH ^- kas piedalās un "sadarbojas" elektronu migrācijā.

Tas nāk dažādos izmēros un spriegumos, lai arī visizplatītākais ir 1,5 V. Tās, iespējams, ir vispazīstamākās baterijas tirgū (piemēram, Duracell).

Reakcijas, kas notiek pie jūsu elektrodiem, ir:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (anods)

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (Cathode)

Palielinoties temperatūrai, jo ātrāk notiek reakcijas un jo ātrāk akumulatori izlādējas. Interesanti, ka izplatījās populāras baumas, lai tās ievietotu saldētavā, lai palielinātu to dzīves ilgumu; Tomēr, to atdzesējot, tā saturs var tikt sacietēts, kas var izraisīt turpmākus defektus vai risku.

Dzīvsudrabs

Iespējams dzīvsudraba akumulators, ko var sajaukt ar sudraba oksīda akumulatoru. Avots: Multicherry.

Dzīvsudraba baterijas ir ļoti raksturīgas, pateicoties to īpatnējai sudraba pogu pogai (attēls iepriekš). Gandrīz visi tos atpazīs no pirmā acu uzmetiena. Tie ir arī sārmaini, bet to katodā papildus grafīta un mangāna dioksīdam ir dzīvsudraba oksīds, HgO; kas pēc reducēšanas tiek pārveidots par metālisku dzīvsudrabu:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (s) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (s) + 2OH ^-

Ievērojiet, kā šajās šūnu reakcijās tiek patērēti un reģenerēti OH ^- anjoni .

Tā kā tas ir mazs akumulators, tas ir paredzēts mazām ierīcēm, piemēram, pulksteņiem, kalkulatoriem, rotaļlietu vadības ierīcēm utt. Ikviens, kurš ir izmantojis kādu no šiem objektiem, sapratīs, ka akumulatori nav jāmaina gandrīz "mūžībā"; kas būtu ekvivalents 10 gadiem, aptuveni.

Sudraba oksīds

Sudraba oksīda baterijas. Avots: Lukas A, CZE.

Dzīvsudraba bateriju galvenais trūkums ir tas, ka, izmetot tās, šī metāla toksisko īpašību dēļ rada nopietnu problēmu videi. Varbūt tāpēc tai trūkst IEC un ANSI kodu. Sudraba oksīda baterijām to IEC kods ir burts S.

Viens no dzīvsudraba akumulatoru aizstājējiem atbilst sudraba oksīda akumulatoram, kas ir daudz dārgāks, bet ar mazāku ekoloģisko ietekmi (augšējais attēls). Sākotnēji tie saturēja dzīvsudrabu, lai aizsargātu cinku no sārmainās korozijas.

Tas ir pieejams ar spriegumu 1,5 V, un tā pielietojumi ir ļoti līdzīgi dzīvsudraba akumulatora lietojumiem. Faktiski no pirmā acu uzmetiena abas baterijas izskatās identiskas; kaut arī var būt daudz lielāki sudraba oksīda pāļi.

Reakcijas pie tā elektrodiem ir:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 e ^-

Ag ₂ O (s) + 2H ⁺ (aq) + 2e ^- → 2 Ag (s) + H ₂ O (l)

Ūdens pēc tam veic elektrolīzi, sadaloties uz H ⁺ un OH ^- jonus .

Ņemiet vērā, ka dzīvsudraba vietā uz katoda veidojas metālisks sudrabs.

-Niķeļa-kadmija (NiCad)

NiCd akumulators. Avots: LordOider.

No šī brīža tiek ņemti vērā sekundārie elementi vai baterijas. Tāpat kā dzīvsudraba baterijas, niķeļa kadmija baterijas ir bīstamas videi (savvaļas dzīvniekiem un veselībai) metāla kadmija dēļ.

Tiem raksturīga liela elektriskā strāva, un tos var uzlādēt daudz reizes. Faktiski tos var uzlādēt kopumā 2000 reizes, kas ir vienāds ar ārkārtēju izturību.

Tās elektrodi sastāv no niķeļa oksīda hidroksīda, NiO (OH) katodam un metāliskā kadmija anodam. Ķīmiskais pamatojums būtībā paliek tāds pats: kadmijs (nevis cinks) zaudē elektronus, un kadmijs NiO (OH) tos iegūst.

Pusšūnu reakcijas ir:

Cd (s) + 2OH ^- (aq) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (s) + 2H ₂ O (l) + 2e ^- → 2Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq)

OH ^- anijoni atkal nāk no KOH elektrolīta. Tad NiCad baterijas rada niķeļa un kadmija metālu hidroksīdus.

Tos izmanto atsevišķi vai kopā iesaiņojumos (piemēram, dzeltenajā attēlā iepriekš). Tātad tie tiek piegādāti lielos vai mazos iepakojumos. Mazie bērni to izmanto rotaļlietās; bet lielie tiek izmantoti lidmašīnām un elektriskajiem transportlīdzekļiem.

-Nikelmetāla hidrīds (Ni-HM)

Ni-HM baterijas. Avots: Ramesh NG no Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Vēl viena plaši pazīstama šūna vai akumulators, kura enerģijas ietilpība pārsniedz NiCad, ir Ni-HM (niķeļa un metāla hidrīds). Tas var būt cilindriskā formātā (parastās baterijas, attēls iepriekš) vai arī savienots akumulatorā.

Ķīmiski tam ir gandrīz tādas pašas īpašības kā NiCad akumulatoriem, galvenā atšķirība ir tā negatīvajā elektrodā: katods nav kadmijs, bet gan retzemju un pārejas metālu intermetāliskais sakausējums.

Šis sakausējums ir atbildīgs par uzlādēšanas laikā izveidotā ūdeņraža absorbciju, veidojot kompleksu metāla hidrīdu (tātad burts H tā nosaukumā).

Kaut arī Ni-HM akumulatori nodrošina vairāk enerģijas (aptuveni par 40% vairāk), tie ir dārgāki, ātrāk nolietojas un tos nevar uzlādēt tikpat reizes, cik NiCad akumulatorus; tas ir, viņiem ir īsāks lietderīgās lietošanas laiks. Tomēr tiem trūkst atmiņas efekta (akumulatoru veiktspējas zudumi, jo tie nav pilnībā izlādējušies).

Šī iemesla dēļ tos nevajadzētu izmantot mašīnās, kas darbojas ilgstoši; lai gan šī problēma ir mazināta ar LSD-NiHM akumulatoriem. Tāpat Ni-HM elementiem vai baterijām ir ļoti stabilas termiskās īpašības, kuras var darbināt plašā temperatūru diapazonā, neradot risku.

Reakcijas

Reakcijas, kas notiek pie jūsu elektrodiem, ir:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + e ^-

H ₂ O (l) + M (s) + e ^- ⇌ OH ^- (aq) + MH (s)

-Jonu-litijs

Litija jonu akumulators klēpjdatoram. Avots: Kristoferbs no Wikipedia.

Litija elementos un baterijās to pamatā ir Li ⁺ jonu migrācija , kas no anoda tiek pārnesti uz katodu - elektrostatisko atgrūžu produkts pieaugošā pozitīvā lādiņa dēļ.

Dažus var uzlādēt, piemēram, klēpjdatoru baterijas (augšējais attēls), bet citus - cilindriskas un taisnstūrveida baterijas (LiSO ₂ , LiSOCl ₂ vai LiMnO ₂ ).

Litija jonu baterijas raksturo ļoti vieglas un enerģiskas, kas ļauj tās izmantot daudzās elektroniskās ierīcēs, piemēram, viedtālruņos un medicīnas iekārtās. Tāpat viņi diez vai cieš no atmiņas efekta, to lādēšanas blīvums pārsniedz NiCad un Ni-HM elementu un akumulatoru blīvumu, un to izlādēšana prasa ilgāku laiku.

Tomēr tie ir ļoti jutīgi pret augstām temperatūrām, pat eksplodē; un turklāt salīdzinājumā ar citām baterijām tie mēdz būt dārgāki. Tomēr litija baterijas tirgū vērtē pozitīvi, un daudzi patērētāji tās vērtē kā labākās.

-Skābs svins

Tipisks svina skābes akumulators automašīnām. Avots: Tntflash

Visbeidzot, svina skābes baktērijas, kā norāda nosaukums, nesatur OH ^- bet H ⁺ jonus ; īpaši koncentrēts sērskābes šķīdums. Voltaic elementi atrodas to kārbu iekšpusē (augšējais attēls), kur trīs vai sešus no tiem var savienot virknē, attiecīgi iegūstot 6 vai 12 V akumulatoru.

Tas spēj radīt lielu daudzumu elektrisko lādiņu, un, tā kā tie ir ļoti smagi, tie ir paredzēti lietojumiem vai ierīcēm, kuras nevar pārvadāt manuāli; piemēram, automašīnas, saules paneļi un zemūdenes. Šis skābes akumulators ir vecākais un joprojām atrodas automobiļu rūpniecībā.

Tās elektrodi ir izgatavoti no svina: PbO ₂ katodam un pinkaina metāla svina anodam. Tajās notiek šādas reakcijas:

Pb (s) + HSO ^- ₄ (aq) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (aq) + 2e ^-

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (l)

Atsauces

1. Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. (2008). Ķīmija. (8. izd.). CENGAGE mācīšanās.
2. Odunlade Emmanuel. (2018. gada 24. jūlijs). Dažādu veidu baterijas un to pielietojums. Circuit Digest. Atgūts no: circuitdigest.com
3. PĀRBAUDE. (sf). Bateriju veidi. Atgūts no: prba.org
4. Isidors Buhmans. (2019. gads). Kāds ir labākais akumulators? Baterijas universitāte. Atgūts no: batteryuniversity.com
5. McGraw-Hill uzņēmumi. (2007). 12. nodaļa: Baterijas. . Atgūts no: oakton.edu
6. Šapleja Patrīcija. (2012). Izplatītākie akumulatoru veidi. Ilinoisas Universitāte. Atgūts no: butane.chem.uiuc.edu
7. Ekoloģiskā attieksme. (2017. gada 22. janvāris). Bateriju veidi: pilnīga rokasgrāmata ar esošajām baterijām. Atgūts no: actitudecologica.com