Никел-кадмиева батерия

Трябва да изравним уравнението за окислително-редукционния процес в никел-кадмиевата батерия и тук е показано какво се случва. Кадмий (в твърдо състояние) плюс никелов оксидхидроксид дават кадмиев хидроксид и никелов хидроксид. В батерията процесът протича в основен разтвор. Ние разглеждахме вече как се изравнява окислително-редукционна реакция в основен разтвор и във видеото показах всички стъпки, така че това видео е преговор как се прави. Запомни, че го разглеждаме все едно е в киселинен разтвор и после го променяме на основен разтвор. Първата стъпка е да определим степените на окисление. Започваме с кадмий (в твърдо състояние) и кадмият като просто вещество има степен на окисление нула. За никеловия оксид хидроксид знаем, че хидроксидната група е ОН–, а кислородът е О2–, следователно никелът трябва да е Ni3+, за да ги балансира. Значи този йон трябва да е Ni 3+, който има степен на окисление 3+. За кадмиевия хидроксид знаем, че ОН е 1– и имаме две групи, значи кадмиевият йон трябва да е +2, значи степента на окисление е 2+. За никеловия хидроксид е същото. Имаме два хидроксида, значи никелът трябва да е +2, никеловият йон е +2, следователно степента на окисление е 2+. Първо ще напишем окислителната част от процеса. Какво се окислява в нашата батерия? Елементът кадмий преминава от степен на окисление нула в степен на окисление 2+ при Cd2+. Това е повишение на степента на окисление, значи се окислява. Записваме процеса на окиселние. Имаме кадмий, който се превръща в кадмиев хидроксид. Сега да изравним атомите. Започваме с кадмия. Имаме един кадмий вляво и един кадмий вдясно, значи той е изравнен. Сега кислорода. Колко кислород имаме отдясно? Имаме два, защото двойката се отнася за всичко в скобите. Имаме два пъти кислород отдясно и нула кислород отляво. Ще добавим вода, за да изравним кислорода. Колко водни молекули да добавим, за да изравним кислорода? Трябват ни две. Добавяме две молекули вода, сега отляво има два кислорода, колкото и отдясно. Сега да изравним водорода, ще се престорим, че процесът протича в киселинен разтвор, затова изравняваме водорода, като добавяме протони Н+. Колко водорода има отляво? Две по две е четири, значи има четири водорода отляво. Колко са отдясно? Отдясно има два водорода. Значи трябва да добавим два протона отдясно, за да изравним водорода. Добавяме Н+ отдясно. Преструваме се, че това се случва в киселинен разтвор, но запомни, че това всъщност е основен разтвор, затова трябва да добавим ОН– от двете страни, за да неутрализираме Н+. Ако имаме два Н+, трябва да добавим два ОН–, и ако добавим ОН– отдясно, трябва да ги добавим и отляво. Нека да запишем какво се случва в окислителната част от процеса. Имаме два пъти Н2О. Имаме две Н2О плюс кадмий плюс два пъти ОН–, което дава кадмиев хидроксид, значи CD(OH)2. И после какво е това? Какво е 2 пъти Н+ и два пъти ОН–? Н+ и ОН– дават вода, значи отдясно получаваме две молекули вода Н2О. Сега трябва да изравним зарядите, така че да разгледаме зарядите в окислителната част на процеса. Какъв е общият заряд отляво? Имаме два ОН–, значи зарядът е –2. Отдясно имаме общ заряд нула. Изравняваме зарядите, като добавяме електрони. Колко електрони трябва да добавим, и от коя страна ги добавяме? Ако добавим два електрона отдясно, това ще изравни заряда, следователно добавяме тези два електрона отдясно. Забележи, че имаме две молекули вода отляво и две молекули вода отдясно, те се унищожават. И записваме окончателното уравнение. Кадмий плюс 2ОН– дава Cd(ОН)2 плюс два електрона. Това е окисление, значи тук губим електрони. Сега сме готови да запишем редукционната част от процеса. Окислителната реакция става на анода на батерията, Редукцията става на катода на батерията. Да се върнем горе и да видим какво можем да запишем за редукционната част на процеса. Никелът преминава от степен на окисление 3+ в степен на окисление 2+. Това е понижение или редукция на степента на окисление. Значи това е редукционната част от процеса. Никеловият оксид хидроксид се превръща в никелов хидроксид. Ще го запиша. Имаме никелов оксид хидроксид, който се превръща в никелов хидроксид в редукционната част от процеса. Започваме с изравняване на атомите, един никел отляво, един никел отдясно. После кислорода. Два кислорода отдясно, два кислорода отляво. Минаваме на водорода. Колко водород има отляво? Има само един. Един водород отляво, два водорода отдясно. Ще се престорим, че това се случва в киселинен разтвор и ще изравним, като добавим Н+. Колко протона трябва да добавим и от коя страна? Имаме два водорода отдясно и само един отляво, затова ни трябва още един протон отляво. Добавяме един протон, Н+. Сега водородът е изравнен. Но сега трябва да неутрализираме този протон, който добавихме, защото имаме основен разтвор. Щом имаме един протон, трябва да добавим един хидроксид, за да се освободим от протона. Ако добавяме хидроксид отляво, трябва да добавим един хидроксид и в дясната страна на уравнението. Нека да обобщим какво имаме. Н+ и ОН– дават Н2О. Имаме Н2О плюс никелов оксид хидроксид. Отдясно ще имаме никелов хидроксид плюс ОН–, плюс хидроксид. Следва да изравним зарядите, затова да видим зарядите отляво. Те са нула. Отдясно имаме един хидроксиден анион, значи имаме заряд –1 отдясно. Трябва да добавим един електрон отляво. Ако добавим един електрон отляво, зарядите се изравняват. Имаме –1 отляво и –1 отдясно. Затова добавяме един електрон. Получаването на електрони е редукция, така че това е логично. Това е нашата редукционна част от процеса. И сме готови да пристъпим към събирането на двете части в едно. Нека се върнем горе, и запомни, тук в нашата окислителна част от процеса губим електрони. Ние загубихме два електрона в окислителната част на процеса. И когато обединим двете части, броят на електроните трябва да е равен, защото електроните, отдадени в окислителната част, са същите електрони, които добавяме в редукционната част на процеса. Затова трябва да имаме два електрона и в редукционната част, и можем да ги удвоим, като умножим всичко по две в редукционната част на процеса. Значи умножаваме всичко по две. Две по едно дава два електрона, след това два пъти вода. Тук става два пъти никелов оксид хидроксид, значи 2 NiOOH. Ще получим два пъти никелов хидроксид. И накрая два ОН–. Сега имаме същия брой електрони, и можем да обединим всичко, за да получим пълната реакция за никел-кадмиева батерия. Ще обединим двете реакции, които заградих. Ще съберем тази част и тази част. Някои неща ще се унищожат, за да направят живота ни по-лесен. Ще съкратим тези електрони от страната на продуктите с тези от страната на реагентите. Можем да съкратим хидроксида, защото, ако погледнеш... Нека да сменя цветовете... Имаме два хидроксида от страната на изходните вещества, два хидроксида от страната на продуктите. Сега можем да запишем пълното уравнение на процеса. В тази част имаме кадмий, записвам го тук. Имаме кадмий плюс 2 Н2О, плюс никелов оксид хидроксид. Какво получаваме? Получаваме... Нека се върна горе при окислителната част на процеса. Имаме кадмиев хидроксид, записвам го. Кадмиев хидроксид плюс тук долу има два пъти никелов хидроксид. Плюс два пъти никелов хидроксид. И сме напълно готови. Това е пълната реакция, която протича в никел-кадмиевата батерия. Двата продукта, кадмиев хидроксид и никелов хидроксид, са твърди вещества, които се отлагат върху електродите в батерията и затова реакцията е лесно обратима, защото обратната реакция започва с кадмиев хидроксид и никелов хидроксид, а те са вече тук, затова обратната реакция протича лесно, което прави лесно презареждането на тези батерии. Така че никел-кадмиевите батерии са подобни на оловните акумулаторни батерии, те се презареждат и са много практични.