化学反应中的电子活度(修订中)
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到目前为止，在我们关于电力和电路 (opens new window)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电压。在这里，我们将在一定程度上探讨该过程，并涵盖与实际电池及其在电力系统中的使用有关的一些实际考虑因素。
在本书的第一章中，讨论了_原子_的概念，它是所有物质对象的基本组成部分。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（很大程度上决定了材料的导电性）由原子核（中心）中的质子数决定。
原子核中的质子极难脱离，因此原子的化学特性非常稳定。古代炼金术士的目标之一（将铅变成金）被这种亚原子稳定性所挫败。所有通过热、光或摩擦来改变原子这一特性的努力都失败了。然而，原子的电子更容易脱离。正如我们已经看到的，摩擦是电子可以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来产生电压的一种方式，例如热电偶）。
# 1. 化学键的类型
电子可以做的不仅仅是在原子之间移动：它们还可以将不同的原子连接在一起。这种由电子连接的原子称为_化学键_。两个原子之间这种键的粗略（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。因为化学键是基于电子形成的链接，所以这些键的强度与形成它们的电子的固定性一样强。也就是说，化学键可以通过迫使电子移动的相同力产生或破坏：热、光、摩擦等。
当原子通过化学键连接时，它们会形成具有独特特性的材料，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结合体。即使是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性质。以元素碳为例：在一种形式的_石墨_中，碳原子连接在一起形成扁平的“板”，这些“板”很容易相互滑动，赋予石墨天然的润滑特性。在另一种形式中，钻石，相同的碳原子以不同的配置连接在一起，这一次是互锁的金字塔形状，形成了硬度极高的材料。_在富勒烯_的另一种形式中，每个分子由数十个碳原子组成，看起来像足球。富勒烯分子非常脆弱且重量轻。乙炔气过度燃烧形成的空气烟灰（如氧-乙炔焊/割炬的初始点火）含有许多富勒烯分子。
当炼金术士成功地通过热、光、摩擦或与其他物质的混合来改变物质的性质时，他们实际上是在观察由原子断裂并与其他原子形成键而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。
我们对电池研究特别感兴趣的一种化学键是所谓的_离子键，它__与共价_键的不同之处在于分子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的结果。
当离子键由中性原子形成时，带正电和带负电的原子之间会发生电子转移。获得过多电子的原子被称为被_还原_；一个 缺乏 电子 的 原子 被 称为 被_氧化_. 帮助记住定义的助记符是 OIL RIG（氧化较少；减少是增益）。重要的是要注意分子通常会同时包含离子键和共价键。氢氧化钠（碱液，NaOH）在钠原子（正）和氢氧根离子（负）之间具有离子键。氢氧根离子在氢原子和氧原子之间具有共价键（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。一些原子可以有多种氧化态，有时在分子式中包括氧化态以避免歧义是很重要的。
# 2. 伏打电池如何工作？
中性原子或分子形成离子和离子键（反之亦然）涉及电子转移。可以利用这种电子转移来产生电流。为此而构建的设备称为_伏打电池_，或简称_电池_，通常由浸入化学混合物（称为_电解质_）中的两个金属电极组成，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，这两种都是金属物质。需要注意的是，二氧化铅是金属的并且是电导体，这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，这样电子就有了从一个流向另一个的位置，正极 (PbO2) 中的铅 (IV) 原子将获得两个电子，从而产生 Pb(II) O。“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，负极中的铅原子各放弃两个电子，生成铅 Pb(II)，铅与硫酸 (H2SO4) 中的氢离子 (H+) 解离产生的硫酸根离子 (SO4-2) 结合生成形成硫酸铅（PbSO4）。从铅电极流出的电子使其带有负电荷。这些反应如下图所示：
关于氧化铅命名法的注意事项： 氧化铅的命名可能会令人困惑。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根据上下文确定。Pb(IV)O2 的其他同义词是：二氧化铅、过氧化铅、氧化铅、氧化铅棕色和超氧化铅。过氧化铅这个术语特别令人困惑，因为它暗示铅 (II) 与两个氧原子 Pb(II)O2 的化合物，显然不存在。不幸的是，过氧化铅一词在工业文献中一直存在。在本节中，二氧化铅将用于指代 Pb(IV)O2，而氧化铅将指代 Pb(II)O。通常不会显示氧化态。
电池提供电能为负载供电的这一过程称为_放电_，因为它正在耗尽其内部化学储备。从理论上讲，在所有硫酸耗尽后，结果将是两个硫酸铅 (PbSO4) 电极和一个纯水 (H2O) 电解质溶液，不再有额外的离子键合能力。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。_这可以通过一种称为比重计_的设备轻松完成，它测量电解质的比重（密度）。硫酸的密度比水大，因此电池的电荷越大，酸浓度就越高，因此电解质溶液的密度就越大。
没有代表所有伏打电池的单一化学反应，因此任何关于化学的详细讨论都必然具有有限的应用。需要理解的重要一点是，电子通过电极分子和电解质分子之间的离子反应被激发进出电池电极。当存在电流的外部路径时，反应启动，当路径断开时反应停止。
由于电子通过细胞的动力本质上是化学的，因此任何细胞产生的电压（电动势）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每节电池的标称电压为 2.04 伏，基于处于良好物理状态的完全“充电”电池（酸浓度强）。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，用氧化镍制成的正极，用铁制成的负极，以及氢氧化钾（一种苛性碱，不是酸的物质）的电解质溶液，由于具体差异，产生的标称电压仅为 1.2 伏与那些电极和电解质物质发生化学反应。
某些类型的电池的化学反应可以通过迫使电流反向流过电池（在_负极中并_从_正极中流出）来逆转。这个过程称为_充电。任何这种（可充电）电池都称为_二次电池_。化学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，放电过程中经历的化学反应会发生逆转：
# 3. 总结
- 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）结合时形成的分子结合。
- 电化学反应涉及原子之间的电子转移。可以利用这种转移来形成电流。
- _电池_是一种用于利用这种化学反应产生电流的装置。
- 当电池内部的化学储备因使用而耗尽时，电池就被称为_放电。_
- _二次_电池的化学成分可以通过强制电流反向流过它来逆转（再充电）。
- _原_电池实际上不能再充电。
- 铅酸电池的电荷可以用一种称为_比重计_的仪器来评估，该仪器测量电解液的密度。电解质越稠密，酸浓度越强，电池的充电状态就越大。
相关练习：