Нгуэн-Ким Май Тхи - Комично, как все химично! [Почему не стоит бояться фтора в зубной пасте, тефлона на сковороде, и думать о том, что телефон на зарядке взорвется]

Грубо говоря, батарейка – это катод, анод и электролит. А какие химические вещества для каждого из этих компонентов используются, зависит от типа батареи.

В литий-ионной батарее катод обычно состоит из соединения лития, кислорода и еще одного металла, например кобальта. Все вместе получается оксид лития-кобальта. Атомы кобальта и кислорода образуют слои, между которыми заключены ионы лития.

Анод чаще всего состоит из графита, то есть по сути из углерода. Графит также уложен слоями.

Подключая мобильник к зарядному кабелю, я подаю на батарейку обратное напряжение. И тут происходит нечто, что приводит к путанице в терминах. Вот мы только что узнали два новых понятия – анод и катод, – и нам уже придется поменять их местами. Когда батарейка заряжается, положительные электроды из оксида лития-кобальта мы называем анодами, а отрицательные электроды из графита – катодами. То есть точно наоборот, чем при разрядке батарейки. Зачем химикам так все усложнять? Это имеет кое– какое отношение к происходящим в электродах химическим реакциям. К этому мы еще вернемся, но пока, пожалуй, следует разобраться с положительным и отрицательным полюсами.

Когда я заряжаю мобильник, отрицательный полюс заряжается электронами, перемещающимися в графит. В результате загрузки возникает переизбыток отрицательного заряда. Это в принципе усложняет зарядку, потому что одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, то есть отрицательный от отрицательного, а положительный от положительного. Поэтому не получится так запросто полностью накачать электроды отрицательно заряженными электронами. Но противоположные заряды взаимно компенсируются, потому здесь в игру вступают положительно заряженные ионы лития, дающие название литий-ионной батарейке. Они ускользают из положительного полюса (электрод из оксида лития-кобальта), проходят через электролиты до графитового электрода и там, на отрицательном полюсе, получают отрицательные электроны. Это называется компенсацией зарядов– она обеспечивает полную зарядку электронами.

Теперь электроны не околачиваются просто так где-то «на районе», а приняты самым сердечным образом. Для химиков среди моих читателей приведу уравнение этой реакции: Сn + xLi+ + xe– = LixCn. Не-химикам не стоит беспокоиться; вам здесь вообще-то интересна только одна часть этого уравнения, а именно «+ xe-». «Х» здесь означает просто любое количество, а «е-» – электрон, а все вместе говорит о том, что в этой химической реакции были приняты электроны. Это называют восстановлением. Восстановление в химии – это реакция, при которой атомы или ионы присоединяют электроны (а степень окисления понижается).

Поскольку теперь я полностью «заправила бак» (отрицательный полюс своего мобильника) электронами, а положительный полюс электронов не содержит, тем самым между двумя полюсами создается электрическое напряжение. Давайте представим электрическое напряжение как перепад высот для потока электронов по аналогии с плотиной на реке. Загрузить отрицательный полюс электронами – все равно что поднять воду снизу наверх. Если теперь открыть шлюз, вода водопадом грохнется вниз. Именно это и происходит, когда я вынимаю зарядный кабель. При пользовании мобильником химическая реакция поворачивается вспять: принятые электроны снова отдаются. Теперь в качестве электрического тока они носятся по всему мобильнику. Реакция, противоположная восстановлению, называется окислением. Окисление – это химическая реакция, при которой электроны отдаются.

Теперь, когда отданные электроны стимулируют работу моего мобильника, литий-ионы отправляются обратно через электролит. На другой стороне, на положительном полюсе, электроны и литий– ионы снова встречаются. Когда все электроны возвращаются на другую сторону, батарейка оказывается пуста, и все можно начинать сначала!

Теперь давайте вернемся к путанице с терминами «катод» и «анод». В батарейке, перезагружать которую я не могу, катод – это всегда положительный полюс, а анод – отрицательный. Но в перезагружаемых батарейках это верно лишь наполовину, ведь мы только что видели, что зарядка и разрядка – это два противоположных химических процесса, поэтому определение катода и анода здесь следует уточнить. Анод – это электрод, на котором происходит окисление, а катод – электрод, на котором происходит восстановление.