지금까지 전기와 전기 회로 에 대한 논의에서 우리는 배터리가 어떻게 기능하는지 자세히 논의하지 않았습니다. 오히려 우리는 배터리가 어떤 신비한 과정을 통해 일정한 전압을 생성한다고 가정했습니다. 여기서 우리는 어느 정도 그 과정을 탐구하고 실제 배터리와 전력 시스템에서의 사용과 관련된 몇 가지 실질적인 고려 사항을 다룰 것입니다.
이 책의 첫 번째 장에서는 모든 물질적 대상의 기본 구성 요소인 원자 의 개념 에 대해 논의했습니다. 원자는 입자 라고 하는 훨씬 더 작은 물질 조각으로 구성됩니다 . 전자, 양성자, 중성자는 원자에서 발견되는 기본 유형의 입자입니다. 이러한 각 입자 유형은 원자의 동작에서 고유한 역할을 합니다. 전기적 활동은 전자의 움직임을 포함하는 반면, 원자의 화학적 정체성(물질의 전도성을 크게 결정함)은 핵(중심)의 양성자 수에 의해 결정됩니다.
원자핵의 양성자는 떼어내기가 극히 어렵기 때문에 원자의 화학적 정체성은 매우 안정적입니다. 고대 연금술사의 목표 중 하나(납을 금으로 만드는 것)는 이 아원자적 안정성에 의해 좌절되었습니다. 열, 빛 또는 마찰을 통해 원자의 이 속성을 변경하려는 모든 노력은 실패로 끝났습니다. 그러나 원자의 전자는 훨씬 더 쉽게 떼어낼 수 있습니다. 이미 살펴본 것처럼 마찰은 전자가 한 원자에서 다른 원자로 전달될 수 있는 한 가지 방법(유리와 실크, 왁스와 양모)이며 열(열전대의 경우처럼 서로 다른 금속의 접합부를 가열하여 전압을 생성)도 마찬가지입니다.
화학 결합의 종류
전자는 원자 사이를 돌아다니는 것 이상의 일을 할 수 있습니다. 전자는 또한 서로 다른 원자를 연결하는 역할을 할 수 있습니다. 전자에 의한 원자의 이러한 연결을 화학 결합 이라고 합니다 . 두 원자 사이의 이러한 결합을 대략적으로(간단하게) 표현하면 다음과 같습니다.
화학 결합에는 여러 유형이 있는데, 위에 표시된 것은 공유 결합을 대표하며, 여기서 전자는 원자 간에 공유됩니다. 화학 결합은 전자에 의해 형성된 연결에 기반하기 때문에 이러한 결합은 그것을 형성하는 전자의 부동성만큼만 강합니다. 즉, 화학 결합은 전자를 움직이게 하는 것과 동일한 힘, 즉 열, 빛, 마찰 등에 의해 생성되거나 끊어질 수 있습니다.
원자가 화학 결합으로 결합되면 분자 라고 알려진 고유한 특성을 가진 물질이 형성됩니다 . 위에 표시된 이중 원자 그림은 같은 유형의 두 원자로 형성된 간단한 분자의 예입니다. 대부분의 분자는 서로 다른 유형의 원자가 결합된 것입니다. 같은 유형의 원자로 형성된 분자조차도 근본적으로 다른 물리적 특성을 가질 수 있습니다. 예를 들어 탄소 원소를 살펴보겠습니다. 한 형태인 흑연에서 탄소 원자는 서로 연결되어 평평한 "판"을 형성하고, 이 판은 매우 쉽게 서로 미끄러져 흑연에 자연스러운 윤활 특성을 부여합니다. 또 다른 형태인 다이아몬드 에서 동일한 탄소 원자는 다른 구성으로 연결되어 이번에는 서로 맞물리는 피라미드 모양으로 연결되어 매우 경도가 높은 물질을 형성합니다. 또 다른 형태인 풀러렌 에서는 수십 개의 탄소 원자가 각 분자를 형성하며, 축구공처럼 보입니다. 풀러렌 분자는 매우 취약하고 가볍습니다. 아세틸렌 가스의 지나치게 풍부한 연소(산소-아세틸렌 용접/절단 토치의 초기 점화와 같음)로 인해 형성되는 통풍성 그을음에는 많은 풀러렌 분자가 포함되어 있습니다.
연금술사들이 열, 빛, 마찰 또는 다른 물질과의 혼합으로 물질의 속성을 바꾸는 데 성공했을 때, 그들은 실제로 원자가 끊어지고 다른 원자와 결합을 형성함으로써 형성된 분자 유형의 변화를 관찰했습니다. 화학은 연금술의 현대적 대응물이며 주로 이러한 화학 결합의 속성과 이와 관련된 반응에 관심을 둡니다.
배터리 연구에서 특히 관심을 끄는 화학 결합 유형 중 하나는 소위 이온 결합인데, 이는 분자의 한 원자가 전자를 너무 많이 소유하고 있는 반면 다른 원자는 전자가 부족하다는 점에서 공유 결합과 다릅니다. 이들 간의 결합은 두 개의 다른 전하 사이의 정전기적 인력의 결과입니다.
이온 결합이 중성 원자에서 형성될 때, 양전하와 음전하 원자 사이에 전자가 전달됩니다. 전자를 과도하게 얻은 원자는 환원 되었다고 하며 , 전자가 부족한 원자는 산화 되었다고 합니다 . 정의를 기억하는 데 도움이 되는 기억술은 OIL RIG(산화는 적고 환원은 얻음)입니다. 분자는 종종 이온 결합과 공유 결합을 모두 포함한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 수산화나트륨(가성소다, NaOH)은 나트륨 원자(양전하)와 히드록실 이온(음전하) 사이에 이온 결합을 갖습니다. 히드록실 이온은 수소와 산소 원자 사이에 공유 결합(막대로 표시)을 갖습니다.
Na+ O—H- 나트륨은 전자를 하나만 잃으므로 위의 예에서 전하가 +1입니다. 원자가 전자를 두 개 이상 잃으면 그 결과 전하를 +2, +3, +4 등으로 표시하거나 (I), (II), (IV) 등과 같이 산화 상태를 나타내는 로마 숫자를 괄호 안에 표시할 수 있습니다. 일부 원자는 여러 산화 상태를 가질 수 있으며, 때로는 모호성을 피하기 위해 분자식에 산화 상태를 포함하는 것이 중요합니다.
볼타 전지는 어떻게 작동하나요?
중성 원자 또는 분자(또는 그 반대 ) 에서 이온과 이온 결합이 형성되는 데는 전자의 전달이 수반됩니다. 이러한 전자의 전달은 전류를 생성하는 데 활용될 수 있습니다. 이를 위해 제작된 장치를 볼타 전지 또는 줄여서 셀 이라고 하며 , 일반적으로 이러한 전기화학적(산화/환원) 반응을 용이하게 하도록 설계된 화학 혼합물(전해질이라고 함 ) 에 담긴 두 개의 금속 전극으로 구성됩니다.
일반적인 "납산" 셀(자동차에 일반적으로 사용되는 종류)에서 음극은 납(Pb)으로 만들어지고 양극은 납(IV) 이산화(PbO2)로 만들어지며 둘 다 금속 물질입니다. 이산화납은 금속이며 일반적으로 절연체인 다른 금속 산화물과 달리 전기 전도체라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. (참고: 아래 표) 전해질 용액은 희석된 황산(H2SO4 + H2O)입니다. 셀의 전극이 외부 회로에 연결되어 전자가 한 전극에서 다른 전극으로 흐를 수 있는 곳이 있는 경우 양극(PbO2)의 납(IV) 원자는 각각 두 개의 전자를 얻어 Pb(II)O를 생성합니다. "남은" 산소 원자는 양전하를 띤 수소 이온(H)+과 결합하여 물(H2O)을 형성합니다. 이 전자가 이산화납(PbO2) 전극으로 흐르면 양전하가 발생합니다. 결과적으로 음극의 납 원자는 각각 두 개의 전자를 내주어 납 Pb(II)를 생성하고, 이는 황산(H2SO4)에서 수소 이온(H+)이 해리되어 생성된 황산 이온(SO4-2)과 결합하여 황산납(PbSO4)을 형성합니다. 납 전극에서 전자가 흘러나오면 음전하가 생깁니다. 이러한 반응은 아래에 도식적으로 표시되어 있습니다.
산화납 명명법에 대한 참고사항: 산화납의 명명법은 혼란스러울 수 있습니다. 산화납이라는 용어는 Pb(II)O 또는 Pb(IV)O2를 지칭할 수 있으며, 정확한 화합물은 일반적으로 맥락에서 확인할 수 있습니다. Pb(IV)O2의 다른 동의어는 이산화납, 과산화납, 산화납, 산화납갈색, 과산화납입니다. 과산화납이라는 용어는 특히 혼란스럽습니다. 왜냐하면 산소 원자가 두 개 있는 납(II)의 화합물인 Pb(II)O2를 의미하기 때문입니다. 안타깝게도 과산화납이라는 용어는 산업 문헌에서 계속 사용되었습니다. 이 섹션에서는 이산화납을 Pb(IV)O2를 지칭하는 데 사용하고 산화납을 Pb(II)O를 지칭합니다. 산화 상태는 일반적으로 표시되지 않습니다.
부하를 공급하기 위해 전기 에너지를 제공하는 이 셀의 과정을 방전 이라고 하는데 , 이는 셀의 내부 화학적 비축량이 고갈되기 때문입니다. 이론적으로 모든 황산이 소진된 후, 그 결과는 황산납(PbSO4)의 두 전극과 순수한 물(H2O)의 전해질 용액이 되어 추가 이온 결합을 위한 용량이 더 이상 남지 않습니다. 이 상태에서 셀은 완전히 방전 되었다고 합니다 . 납산 셀에서 충전 상태는 산 강도를 분석하여 결정할 수 있습니다. 이는 전해질의 비중(밀도)을 측정하는 비중계 라는 장치를 사용하면 쉽게 달성할 수 있습니다 . 황산은 물보다 밀도가 높기 때문에 셀의 전하가 클수록 산 농도가 커지고 따라서 전해질 용액이 더 밀도가 높아집니다.
모든 볼타 전지를 대표하는 단일 화학 반응은 없으므로 화학에 대한 자세한 논의는 제한적인 적용 범위를 가질 수밖에 없습니다. 이해해야 할 중요한 점은 전자가 전극 분자와 전해질 분자 사이의 이온 반응을 통해 전지 전극으로 이동하거나 전지 전극에서 이동한다는 것입니다. 반응은 전류에 대한 외부 경로가 있을 때 활성화되고 해당 경로가 끊어지면 중단됩니다.
전자가 셀을 통과하는 동기가 본질적으로 화학적이기 때문에 모든 셀에서 생성되는 전압(기동력)의 양은 해당 셀 유형의 특정 화학 반응에 따라 달라집니다. 예를 들어, 방금 설명한 납산 셀은 물리적 상태가 양호한 완전히 "충전된" 셀(산 농도 강함)을 기준으로 셀당 2.04볼트의 공칭 전압을 갖습니다. 다른 특정 전압 출력을 갖는 다른 유형의 셀도 있습니다. 예를 들어 니켈 산화물로 만든 양극, 철로 만든 음극, 수산화 칼륨(산이 아닌 부식성 물질)의 전해질 용액을 사용하는 에디슨 셀은 해당 전극과 전해질 물질과의 화학 반응의 특정 차이로 인해 공칭 전압이 1.2볼트에 불과합니다.
일부 유형의 셀의 화학 반응은 전류를 셀을 통해 역류( 음극 에서 양극 으로 ) 시킴으로써 역전시킬 수 있습니다 . 이 과정을 충전 이라고 합니다 . 이러한(재충전 가능한) 셀을 2차 셀 이라고 합니다 . 화학 반응이 역전류로 역전될 수 없는 셀을 1차 셀 이라고 합니다 .
납산 배터리가 외부 전류 소스에 의해 충전되면 방전 중에 발생하는 화학 반응이 역전됩니다.
검토:
- 전자로 결합된 원자를 분자 라고 합니다 .
- 이온 결합 은 전자가 부족한 원자(양이온)와 전자가 과도한 원자(음이온)가 결합할 때 형성되는 분자 결합입니다.
- 전기화학 반응은 원자 사이의 전자 이동을 포함합니다. 이 이동은 전류를 형성하는 데 활용될 수 있습니다.
- 세포 는 이러한 화학 반응을 이용하여 전류를 생성하도록 만들어진 장치입니다.
- 세포는 사용으로 인해 내부 화학 물질 저장고가 고갈되면 방전 된다고 합니다 .
- 2차 전지 의 화학 성분은 전류를 거꾸로 흘려보냄으로써 역전(재충전)될 수 있습니다.
- 1차 전지 는 실제로 충전이 불가능합니다.
- 납산 전지 충전은 전해질 액체의 밀도를 측정하는 비중계 라는 기구로 평가할 수 있습니다 . 전해질이 더 밀도가 높을수록 산 농도가 더 강하고 전지의 충전 상태가 더 큽니다.