Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Первая батарейка была изобретена химиком из итальянского города Комо Алессандро Вольта в 1799 году и представляла собой деревянную конструкцию с пластинами из меди и цинка, проложенными тканью, смоченной в разведенном растворе серной кислоты. Чтобы понять механизм функционирования батареи, вернемся на несколько страниц назад. В самом первом моем рассказе мы уже отметили, что некоторые химические элементы обладают способностью терять или обретать электроны, образуя ионы. Например, натрий (Na) предпочитает потерять один электрон и превратиться в положительно заряженный ион (Na+), в то время как хлор любит захватить электрон и зарядиться отрицательно (Cl—). Если мы смешаем эти два элемента, вполне логично ожидать, что электроны «перепрыгнут» от натрия к хлору. Точно так же происходят многие химические реакции между элементами, одни из которых теряют, а другие обретают электроны. Вопрос: можно ли сделать так, чтобы электроны вместо того, чтобы прямо внедряться в молекулу, вначале протекут электрическим током?
Для ответа возьмем в качестве примера «упрощенную» версию» элемента Вольта, названную элементом Даниэля, состоящую из меди и цинка. Схема ее работы приведена на рисунке на следующей странице.
Несмотря на кажущуюся на первый взгляд сложность устройства, эта первая модель электробатареи знакома любому студенту-химику, и ее принцип функционирования прост и логичен. Элемент Даниэля основан на двух металлах, цинке и меди, которые не разделены смоченной в кислоте тканью, а просто погружены в два сосуда, соединенные между собой посредством мелкопористой мембраны, – она проницаема для ионов, но препятствует смешиванию растворов. Металлические пластины называются электродами, а раствор, в который они погружены, – электролитом. Обычно электролитами называют ионы в водном растворе: например, специалисты часто говорят об «электролитическом дисбалансе», когда концентрация некоторых ионов в крови, таких как натрий или калий, не соответствует норме, возможно по причине обезвоживания.
В данном случае каждый из электродов погружен в раствор, содержащий ионы металла, из которого сделан электрод: цинковый – в раствор ионов цинка Zn2+, а медный – в раствор ионов меди Cu2+ [30].Если не соединять пластины между собой – ничего не произойдет. Но если мы соединим их в электрическую цепь, например, чтобы зажечь лампочку, не только ток потечет между пластинами, но и цинковая пластина начнет все заметнее худеть, а медная – толстеть на глазах.
Если же мы захотим записать этот процесс на «химическом» языке, то у нас получится вот такая формула:
Cu2+ + Zn → Zn2+ + Cu
Говоря простыми словами, она сообщает нам, что металлический цинк отдает два электрона, превращаясь в ион цинка, а ион меди их присоединяет и превращается в металлическую медь. На техническом жаргоне это будет звучать так: цинк окисляется, медь восстанавливается. Мы можем разделить уравнение на две части, показав, что происходит на цинковом электроде, а что на медном:
Zn ⁻ 2 → e—Zn2+
Cu2+ + 2 e— → Cu
Эти формулы сообщают, что между электродами существует разность электрических потенциалов, что один из электродов, цинковый, отдает электроны другому электроду, медному. Точное значение разности зависит от разных условий, таких как концентрация ионов, температура, но в среднем обычно колеблется вокруг 1,1 В. Подключенная к электрической цепи батарея генерирует ток, и разность потенциалов постепенно снижается, а батарея продолжит работать до тех пор, пока не наступит состояние равновесия – разность потенциалов станет равна нулю.
Самый важный момент – это то, что суммарный электрический заряд обоих сосудов должен всегда равняться нулю, с самого начала до конца. Если сосуды будут полностью изолированы друг от друга, то сосуд с медной пластиной станет отрицательно заряженным (благодаря заряду электронов), в то время как сосуд с цинковой платиной обретет положительный заряд. Ситуация станет неустойчивой, и батарея прекратит работу. Именно поэтому сосуды должны отделяться друг от друга проницаемой перегородкой, позволяющей растворам обмениваться излишними ионами и обеспечивающей равновесие потенциалов между электродами: благодаря ей разность потенциалов не возникает. Батарея создает условия для превращения химической энергии в электрическую. Если бы мы попытались провести реакцию в батарее, просто смешав растворы, та же самая энергия выделилась бы в виде тепла. Самое время вспомнить первое начало термодинамики, гласящее, что энергия сохраняется: если начальное и конечное состояния одинаковы, энергия сохраняется неизменной, вне зависимости от пройденного «пути». Меняется только форма, в которой происходит энергетический обмен.
Можно представить, что использовать подобную батарею для работы компьютера было бы не очень практично, однако базовая концепция, лежащая в основе всех батареек, осталась той же. В батарейке всегда наличествуют два электрода, химическое вещество, теряющее электроны, и химическое вещество, их собирающее, и электролит, позволяющий сбалансировать заряды. От элемента Даниэля они отличаются более сложными химическими и более эффективными реакциями, позволяющими батарейке стать намного более компактной, повысить напряжение, уменьшить ее вес и увеличить срок работы. В некоторых случаях можно использовать обратимые процессы, они позволяют перезаряжать батарейку. Для этого достаточно поменять полюса и подключить электрический ток, чтобы реакция пошла в обратном направлении, превращая электрическую энергию в химическую. К сожалению, второе начало термодинамики неумолимо: для перезарядки батареи всегда требуется больше энергии, чем мы можем получить путем ее обычного использования…
Следует подчеркнуть и другой момент: почти все батарейки чрезвычайно опасны для окружающей среды, их нельзя выбрасывать в мусор – они содержат значительные количества тяжелых металлов, таких как свинец и кадмий. Это может иметь самые непоправимые последствия для природы[31]. Как мы узнаем в рассказе № 5, рассматривая в качестве примера ртуть, тяжелые металлы могут загрязнять почву и источники вод, проникать в пищевые цепочки, отравляя животных и людей и нанося неврологические и гастроэнтерологические повреждения, приводя к росту злокачественных опухолей. Во многих местах сейчас установлены специальные сборники отходов, помощь можно получить также в магазинах электроники.
Электромобили и автомобили на водороде: мечта красивая, но трудоемкая
Мы поняли, как работает батарея, поэтому можем изучить в деталях работу автомобиля на электричестве или на водородном топливе и понять, какие препятствия ограничивают эти технологии.
