化学反应中的电子活性

到目前为止，在我们关于电力和电路的讨论中，我们还没有详细讨论电池的工作原理。相反，我们只是假设它们通过某种神秘的过程产生恒定的电压。在这里，我们将在一定程度上探索该过程，并涵盖与实际电池及其在电力系统中的使用相关的一些实际考虑因素。

在本书的第一章中，原子的概念 讨论了，因为它是所有物质对象的基本构建块。反过来，原子由更小的物质组成，称为粒子 .电子、质子和中子是原子中发现的基本粒子类型。这些粒子类型中的每一种在原子的行为中都扮演着不同的角色。虽然电活动涉及电子的运动，但原子的化学特性（这在很大程度上决定了材料的导电性）取决于原子核（中心）中的质子数。

原子核中的质子极难移走，因此原子的化学特性非常稳定。这种亚原子稳定性挫败了古代炼金术士的一个目标（将铅变成金）。所有通过热、光或摩擦来改变原子这种特性的努力都失败了。然而，原子的电子更容易脱落。正如我们已经看到的，摩擦是电子从一个原子转移到另一个原子（玻璃和丝绸、蜡和羊毛）以及热量（通过加热不同金属的结产生电压，如在这种情况下）的一种方式热电偶）。

化学键的类型

电子不仅可以在原子之间移动和移动，还可以做更多的事情：它们还可以将不同的原子连接在一起。这种通过电子连接原子的过程称为化学键 .两个原子之间的这种键的粗略（和简化）表示可能如下所示：

有几种类型的化学键，上面显示的一种代表共价 键，其中电子在原子之间共享。因为化学键基于由电子形成的链接，所以这些键的强度取决于形成它们的电子的不动性。也就是说，化学键可以通过与迫使电子移动的力相同的力来创建或断开：热、光、摩擦等。

当原子通过化学键连接时，它们形成具有独特性质的材料，称为分子 .上面显示的双原子图片是由两个相同类型的原子形成的简单分子的示例。大多数分子是不同类型原子的联合。即使由相同类型的原子形成的分子也可能具有完全不同的物理特性。以碳元素为例：在一种形式中，石墨 ，碳原子连接在一起形成平坦的“板”，它们很容易相互滑动，使石墨具有天然的润滑特性。另一种形式，钻石 ，相同的碳原子以不同的配置连接在一起，这次是互锁金字塔的形状，形成了超硬的材料。在另一种形式中，富勒烯 每个分子由数十个碳原子组成，看起来像一个足球。富勒烯分子非常脆弱且重量轻。乙炔气体过浓燃烧（如氧-乙炔焊/割炬的初始点火）形成的空气烟灰含有许多富勒烯分子。

当炼金术士通过热、光、摩擦或与其他物质的混合，成功地改变了一种物质的性质时，他们实际上是在观察原子断裂并与其他原子形成键所形成的分子类型的变化。化学是炼金术的现代对应物，主要关注这些化学键的性质以及与之相关的反应。

我们对电池的研究特别感兴趣的一种化学键是所谓的离子 键，它不同于共价 分子中的一个原子拥有过量的电子而另一个原子缺乏电子，它们之间的键是两个不同电荷之间的静电吸引力的结果。

当中性原子形成离子键时，带正电和带负电的原子之间会发生电子转移。获得过量电子的原子被称为还原;缺乏电子的原子被称为氧化 .帮助记住定义的助记符是 OIL RIG（氧化较少；减少的是获得）。需要注意的是，分子通常同时包含离子键和共价键。氢氧化钠（碱液，NaOH）在钠原子（正）和羟基离子（负）之间具有离子键。氢氧根离子在氢和氧原子之间有一个共价键（显示为条形）：

Na+ O-H- 钠只失去一个电子，所以在上面的例子中它的电荷是+1。如果一个原子失去一个以上的电子，则产生的电荷可以表示为 +2、+3、+4 等，或者用括号中的罗马数字表示氧化态，例如 (I)、(II)、( IV)等。有些原子可以有多种氧化态，有时在分子式中包含氧化态以避免歧义很重要。

伏打电池如何工作？

中性原子或分子形成离子和离子键（或反之 ) 涉及电子的转移。可以利用电子的转移来产生电流。专门为此而构建的设备称为伏打电池 , 或 单元格 简而言之，通常由浸在化学混合物中的两个金属电极组成（称为电解质 ) 旨在促进这种电化学（氧化/还原）反应：

在常见的“铅酸”电池（汽车中常用的那种）中，负极由铅 (Pb) 制成，正极由二氧化铅 (IV) (PbO2) 制成，这两种金属物质。重要的是要注意，二氧化铅是金属的，是一种电导体，与通常是绝缘体的其他金属氧化物不同。 （注：下表）电解液为稀硫酸（H2SO4+H2O）。如果电池的电极连接到外部电路，使得电子有地方从一个流向另一个，正极（PbO2）中的铅（IV）原子将获得两个电子，产生Pb（II）哦。 “剩余”的氧原子与带正电的氢离子 (H)+ 结合形成水 (H2O)。电子流入二氧化铅 (PbO2) 电极使其带正电荷。因此，负极中的铅原子各自放出两个电子以产生铅 Pb(II)，铅与硫酸 (H2SO4) 中的氢离子 (H+) 离解产生的硫酸根离子 (SO4-2) 结合形成形成硫酸铅 (PbSO4)。电子从引线电极流出，使其带负电荷。这些反应示意图如下：

关于氧化铅命名法的说明： 氧化铅的命名可能令人困惑。术语氧化铅可以指 Pb(II)O 或 Pb(IV)O2，正确的化合物通常可以从上下文中确定。 Pb(IV)O2 的其他同义词是：二氧化铅、过氧化铅、氧化铅、氧化铅棕和超氧化铅。术语“过氧化铅”尤其令人困惑，因为它意味着铅 (II) 与两个氧原子 Pb(II)O2 的化合物，而 Pb(II)O2 显然并不存在。不幸的是，术语过氧化铅在工业文献中一直存在。在本节中，二氧化铅将用于表示 Pb(IV)O2，而氧化铅将用于表示 Pb(II)O。通常不会显示氧化态。

电池提供电能为负载供电的过程称为放电 因为它正在耗尽其内部化学储备。理论上，在所有硫酸都耗尽后，结果将是硫酸铅 (PbSO4) 和纯水 (H2O) 电解质溶液的两个电极，不再有额外离子键合的容量。在这种状态下，电池被称为完全放电 .在铅酸电池中，充电状态可以通过酸强度分析来确定。这很容易用一个叫做比重计的设备来完成 ，它测量电解质的比重（密度）。硫酸的密度比水大，所以电池的电荷越大，酸的浓度就越大，因此电解液的密度就越大。

没有代表所有伏打电池的单一化学反应，因此对化学的任何详细讨论都必然会受到限制。需要理解的重要一点是，通过电极分子和电解质分子之间的离子反应，电子被激励进出电池的电极。当有外部电流通路时反应开始，当通路断开时反应停止。

由于电子通过细胞的动机在本质上是化学的，因此任何细胞产生的电压（电动势）的量将特定于该细胞类型的特定化学反应。例如，刚刚描述的铅酸电池的标称电压为每个电池 2.04 伏，这是基于在良好物理条件下完全“充电”的电池（酸浓度高）。还有其他类型的电池具有不同的特定电压输出。 爱迪生细胞 例如，使用由氧化镍制成的正极、由铁制成的负极和氢氧化钾（一种腐蚀性物质，而不是酸物质）的电解液，由于具体差异，产生的标称电压仅为 1.2 伏与这些电极和电解质物质发生化学反应。

某些类型的细胞的化学反应可以通过迫使电流反向通过细胞（in 负极和出 正极）。这个过程叫做充电 .任何此类（可充电）电池都称为二次电池 .化学性质不能被反向电流逆转的电池称为原电池 .

当铅酸电池通过外部电流源充电时，放电过程中发生的化学反应发生逆转：

评论：

• 由电子结合在一起的原子称为分子 .
• 离子键 是当缺电子原子（正离子）与电子过剩原子（负离子）结合时形成的分子联合。
• 电化学反应涉及原子之间的电子转移。可以利用这种转移形成电流。
• 一个细胞 是一种利用此类化学反应产生电流的装置。
• 一个电池被称为放电 当其内部化学储备因使用而耗尽时。
• 一个中学 可以通过强制电流反向通过电池来逆转（充电）电池的化学反应。
• 一个主要 电池实际上无法充电。
• 铅酸电池的电荷可以用一种叫做比重计的仪器来评估 ，测量电解液的密度。电解液密度越大，酸浓度越强，电池的充电状态就越高。

相关工作表：

• 原子结构工作表