Дело в химии. Как все устроено?

Батарея (аккумулятор) – это устройство, позволяющее превращать химическую энергию в электрическую. Точнее, следует отличать батарейки (они не перезаряжаются) от аккумуляторов (их можно заряжать), поскольку их принципы работы отличаются. Однако речь идет о тонкостях, которые не оказывают заметного влияния на нашу тему, поэтому можно использовать общий термин «батарея» для всех устройств.

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.