Батареї та окислювально-відновлювальні матеріали - Site de science physique de M

I - Перетворення енергії та транспорт

1) Перетворення енергії

Що спільного у електричного двигуна, чайника, лампи чи мобільного телефону? ?
Ті перетворювачі електричної енергії:
- двигун перетворює Електричний в Механічний,
- чайник перетворює електроенергію в ефірну,
- лампа перетворює електрику на освітлювальну,
- телефон перетворює електрику на електромагнітну (зв'язок), освітлювальну (екран) та емеханіку (звук, вібратор).

Ось спосіб, яким ми представляємо перетворювач.

2) Конверсійні втрати

Якщо ви користуєтесь телефоном занадто довго або заряджаєте його, ви можете виявити, що він нагрівся. Проте ми не хочемо виробляти тепло в цей час.
Це пояснюється тим, що практично неможливо здійснити перетворення енергії, не втративши її частиною у вигляді тепла: двигун завжди буде нагріватися, оскільки механічне тертя неминуче, а електрична ланцюг робить те саме Ефект Джоуля, оскільки лише надпровідники здатні проводити електрику без будь-якого опору і, отже, без ефекту Джоуля.
Крім того, пристрої не завжди ідеальні, і можуть бути присутні інші типи втрат.

Ефективність перетворення визначається як співвідношення між корисною енергією та енергією, що подається.

ρ = Δ E u t i l e Δ E f o u r n i e

ρ без одиниць.

Застосування:
Електроенергія транспортується на великі відстані по лініях 400 кВ. Опір кабелю на одній з цих ліній становить 0,5 Ом.км -1. Інтенсивність протікання через нього електричного струму становить 50А.
1- Розрахувати корисну енергію, що подається високовольтною лінією.
2- Розрахувати електричний опір лінії, що з'єднує атомну електростанцію Фламанвіль (Манш) з Лавалем (Майен) (270 км).
3- Обчисліть втрати цієї лінії за ефектом Джоуля.
4- Обчисліть ефективність цієї лінії.
5- Є також лінії 60 кВ. Повторюючи запитання 1 → 4, обґрунтуйте використання лінії 400 кВ на великі відстані.

1- P = U × I = 4 × 10 5 × 50 = 2 × 10 7 Вт .
2- Опір становить 0,5 Ом.км -1, отже, на відстані 270 км це опір 135 Ом.
3- Ми використовуємо співвідношення, побачене в попередньому розділі:
P = R × I 2 = 135 × 50 2 = 337500 Вт .
Примітка: ми не можемо використовувати відношення P = U 2 R, оскільки для цього було б потрібно, щоб напруга на затискачах лінії була 400 кВ, але це не так, це значення, що представляє напругу на затискачах трансформатора до який лінія підключена. З іншого боку, інтенсивність, що проходить по лінії, обов'язково однакова з інтенсивністю, що надходить у трансформатор.
4- ρ = P u t i l e P f o u r n i e = P u t i l e P f o u r n i e + P d i s s i p é e = 2 × 10 7 2 × 10 7 + 337500 = 98. 3%
5- а. Ми розраховуємо інтенсивність, яка повинна перетинати лінію, щоб потужність була однаковою: U1 × I1 = U2 × I2
I 2 = U 1 × I 1 U 2 = 400 × 50 60 = 333 А
b. Отже, лінійні втрати через ефект Джоуля тепер P = R × I 2 = 135 × 333 2 = 1,50,10 7 .
проти Врожайність зараз:
ρ = P u t i l e P f o u r n i e = P u t i l e P f o u r n i e + P d i s s i p é e = 2 × 10 7 2 × 10 7 + 1. 50 × 10 7 = 57. 1%
d. Тому ми можемо побачити перевагу використання ліній 400 кВ на великі відстані: втрачається енергія набагато менше.

3) Одиниці

Ось рахунок за електроенергію, ми бачимо, що кількість спожитої електричної енергії виражається не в джоулях, а в кіловат-годинах (кВт.год) .
За визначенням 1J = 1W.s, отже, 1W.h = 3600J і 1kW.h = 3.6 × 10 6 J .
Витрата 1095 кВт.год = 3,94 × 10 9 Дж.

II- Акумулятори та окислювально-відновлювальні

1) Досвід

Якщо взяти розчин мідного купоросу (Cu 2+, SO4 2-) і занурити в нього залізний цвях, ми дуже швидко спостерігатимемо помаранчеві відкладення міді навколо нігтя.
Якщо замінити ніготь залізним порошком, він прийме червонуватий відтінок, але перш за все зникне синій колір розчину.
Нарешті, додавання кількох крапель соди до фільтрату попереднього розчину призведе до появи темно-зеленого осаду гідроксиду заліза (II).
(при необхідності дивіться відео про характерні випробування іонів у 2-му).
Металеве залізо Fe перетворюється на іон заліза (II) Fe 2+, тоді як зворотне відбувається для іонів міді (II) Cu 2+, які перетворюються в металеву мідь Cu.
Тому можна написати рівняння реакції:

C u 2 + + F e → C u + F e 2 +

2) Напіврівні та окисно-відновні пари

Попередній досвід показує, що іони Cu 2+ здатні "вкрасти" 2 електрони з атомів заліза, щоб перетворитися на атоми міді.
Cu 2+ і Cu утворюють так звану окислювально-відновну пару, загальніше називають окисно-відновну пару, як Fe 2+ і Fe.
Напіврівня окислення-відновлення дозволяє врахувати лише одну окисно-відновну пару, але перш за все виявити електрони e - не представлені в рівняннях перетворення
Тут ми можемо написати:

Cu 2+ + 2e - = Cu і Fe 2+ + 2e - = Fe

Ми помічаємо щодо хімічного перетворення, яке ми бачили до цього часу, що знак → замінюється знаком =.
Дійсно, залежно від умов, реакція може відбуватися в той чи інший бік.

Окислювальна/відновна пара або окисно-відновна пара складаються з двох хімічних видів, які можна отримати за рахунок посилення (окислювача) або втрати (відновника) одного або декількох електронів.

Пов’язане напіврівнення окислення-відновлення має вигляд:

Окислювач + n e - = Редуктор

Також можливо, якщо необхідно, збалансувати реакцію з видами, присутніми в розчині, такими як H2O, H + (кисле середовище) або HO - (основне середовище)
Наприклад, пара перманганат/іон марганцю MnO4 -/Mn 2+ - пара, яка часто використовується в хімії. Застосовуваний у водному розчині, він також включає іони води H2O та H +:

MnO4 - + 8H + + 5th - = 4H2O + Mn 2+

3) Акумулятори

Тому окисно-відновна реакція передбачає обмін електронами між двома окислювально-відновними парами, але електрони відповідають за електричний струм в металевих провідниках і, крім того, не здатні циркулювати у водному розчині, де циркулюють лише іони. чи можна було б змусити електрони рухатися по електричному ланцюгу до досягнення окислювача ?
Це принцип стека, коли види, які мають реагувати разом, розділяються в різні контейнери.

Приклад стека Даніелла
Цей стек був створений в 1836 році Джоном Даніелем.
Щоб "змусити" електрони циркулювати в електричному ланцюзі, батарея розділена на 2 частини: одна, що містить види міді, а інша - цинк. Папір, змочений електролітом (води з-під крана може бути достатньо, але замість цього ми використовуємо нітрат калію K +, NO3 -), дозволяє пропускати іони.

Цей стек використовує реакцію
Cu 2+ + Zn → Zn 2+ + Cu.
Тому цинк (метал) зникає, перетворюючись на іони Zn 2+ .
Ми говоримо, що акумулятор «споживає» цинк.

Коли батарея не підключена до електромережі, електрони не можуть протікати, реакція не відбувається.
Ось чому акумулятор не зношується, коли ви ним не користуєтесь.

Примітка: Здоровий глузд і окислювально-відновлювальне лікування Досить часто можна почути, що можна скласти купу картоплею, лимоном або будь-яким іншим фруктом. Це твердження, розроблене у відео нижче
Зараз ось експеримент з половиною яблука та лезами різних металів:

Ми бачимо, що батарею робить вибір металу, а не фрукт, який вміщує водний розчин, в якому іони можуть циркулювати.
Насправді можна замінити фрукти вологою бавовною або тканиною. !

3) Окисно-відновний потенціал

Якщо ми подивимося на напруги, виміряні у відео вище, ми зрозуміємо, що напруга, виміряна між двома електродами, використовується для класифікації металів:
- якщо відображена напруга позитивна, це означає, що метал на червоній клемі є + полюсом батареї, інакше все навпаки,
- напруга вказує на зазор між двома металами.

термінал + →	Цинк	Алюміній	Мідь	Залізо
Цинк	0,58	1.02	0,53
Алюміній	-0,58	0,438	-0,05
Мідь	-1.02	-0,438	-0,485
Залізо	-0,53	+0,05	0,485

4) Ємність акумулятора або акумулятора

в. Відмінність акумулятора/акумулятора

Теоретично можна змусити реакцію відновлення окислення, підключивши генератор з досить високою напругою в напрямку, протилежному до нормальної роботи. Тому ми можемо уявити, як «підзарядити» батарею Daniell, підключивши генератор напругою більше 1,1 В до +, підключеного до цинкового електрода.
На жаль, в батареї Даніеля є й інші окислювально-відновлювальні пари: молекула H2O належить 2 окислювально-відновним парам: O2/H2O та H2O/H2 У своїй нормальній роботі батарея Daniell не реалізує ці пари, але в зворотному напрямку ви ризикуєте електролізу води: Замість того, щоб повторно осідати цинк на електроді, ви розділите молекули води на діоксид з одного боку та водень з іншого: це нешкідливо у випадку експериментальної комірки, де склянки відкриті, але в герметична комерційна комірка, видобуток газу може просто спричинити вибух клітини !

Термін "акумулятор" походить від того, що для досягнення достатньої напруги часто доводиться ставити кілька акумуляторів послідовно один за одним, що є початковим визначенням виразу "вставити в акумулятор"

b. Співвідношення струм/електроенергія

Оскільки частинками, відповідальними за транспортування електрики в електричному ланцюзі, є електрони, а їх заряд qe = 1,6 × 10 -19 С, то ми виявляємо, що

1 A = 1 1, 6 × 10 - 19 = 6, 25 × 10 18 e -. s - 1

Застосування:
Нові виробники смартфонів намагаються мінімізувати час, необхідний для зарядки телефону.
Серед різноманітних розроблених технологій Qualcomm® Quick Charge® дозволяє досягти інтенсивності 3,8 А, коли зарядний пристрій (а також кабель, при такій інтенсивності якого може загорітися неякісний кабель) і телефон сумісні.
Скільки електронів протікає в кабелі щосекунди, коли цей режим задіяний ?

Нобелівська премія з фізики та хімії 2020

Цього року фізики Роджер Пенроуз Рейнхард Генцель та Андреа Гез отримали Нобелівську премію з фізики за роботу над чорними дірами. У хімії американка Дженніфер Дудна та французька Еммануель Шарпентьє були нагороджені за відкриття техніки редагування ДНК із використанням білка CRISPR-CAS9. Клацніть нижче, щоб дізнатися більше !

Нобелівська премія з хімії 2019

Дослідники, нагороджені цього року престижним комітетом, були за розробку пристрою в основі електронних об’єктів нашого повсякденного життя.

---