A nikkel-kadmium–elem

A nikkel-kadmium akkumulátorban zajló redoxireakciót akarjuk rendezni. Nézzük először, mi a reakció! Szilárd kadmium és nikkel-oxid-hidroxid alakul át kadmium-hidroxiddá és nikkel-hidroxiddá. Az akkumulátorban ez bázikus közegben játszódik le. Láttuk már, hogyan kell bázikus oldatban zajló redoxiegyenletet rendezni. Mutattam egy videót a rendezés lépéseivel, így ebben a videóban csak felelevenítjük, hogy kell csinálni. Emlékezzünk vissza: úgy teszünk, mintha savas oldat lenne, majd átalakítjuk bázikusra. Első lépésben határozzuk meg az oxidációs számokat! Kezdjük a szilárd kadmiummal: a kadmium fém egy elem, tehát az oxidációs száma nulla. A nikkel-oxid-hidroxidban tudjuk, hogy a hidroxid OH⁻, az oxid O²⁻, így a nikkelnek Ni³⁺-nak kell lennie, hogy a töltések rendezve legyenek. Tehát ez Ni³⁺-ion, +3-as oxidációs számmal. Azt is tudjuk, hogy a kadmium-hidroxidban a hidroxidion töltése -1, amiből kettő van, tehát a kadmiumnak +2-es töltésű ionnak kell lennie, amelynek az oxidációs száma így +2. A nikkel-hidroxidban ugyanez van. Két hidroxidunk van, tehát ez Ni²⁺-ion, így a nikkel oxidációs száma +2. Először felírjuk az oxidációs félreakciót. Mi oxidálódik az akkumulátorban? A szilárd kadmium oxidációs száma 0-ról +2-re változik a Cd²⁺ képződésekor. Nőtt az oxidációs száma, tehát ez az oxidáció. Felírjuk a félreakciót. Szilárd kadmiumból lesz kadmium-hidroxid. Nézzük a rendezendő atomokat! Kezdjük a kadmiummal! Egy kadmium van a bal oldalon, egy a jobb oldalon, tehát a kadmium rendben van. Most jön az oxigén. Hány oxigén van a jobb oldalon? Itt van kettő, mivel a 2-es mindenre vonatkozik a zárójelben. Két oxigén a jobb oldalon, nulla a bal oldalon. Az oxigént víz hozzáadásával rendezzük. Hány vízmolekulát kell adni a bal oldalhoz, hogy rendezzük az oxigént? Két vízmolekula kell. Ha hozzáadunk két vízmolekulát, máris két oxigén lesz a bal oldalon és kettő a jobb oldalon. Ezután rendezzük a hidrogént: úgy teszünk, mintha savas oldat lenne, tehát protonokat adunk hozzá, H⁺ ionokat. Hány hidrogén van a bal oldalon? 2-szer 2 az 4, tehát 4 hidrogén. Mennyi van a jobb oldalon? Kettő. Két proton kell még a jobb oldalra, hogy meglegyen minden hidrogén. Hozzáadunk két H⁺-t a jobb oldalhoz. Úgy tettünk tehát, mintha savas lenne az oldat, noha valójában bázikus, így hidroxidokat adunk mindkét oldalhoz, amivel a H⁺ ionokat eltüntetjük. Ha két H⁺ van, két OH⁻-t kell hozzáadnunk, és ha a jobb oldalhoz két OH⁻-t adunk, akkor a bal oldalhoz is két OH⁻-t kell adnunk. Írjuk le, mi van meg eddig az oxidációs félreakcióban! Van két H₂O, egy kadmium és két hidroxid, ezekből lesz kadmium-hidroxid, Cd(OH)₂. Ez itt mi lesz? Mit ad két H⁺ és két OH⁻? H⁺ és OH⁻ együtt egy vizet ad, tehát a jobb oldalon két víz lesz, két H₂O. Végül rendeznünk kell a töltéseket. Mennyi az össztöltés a bal oldalon? Van két hidroxid, ez -2 töltés. A jobb oldalon 0 töltés van. A töltést elektronok hozzáadásával lehet rendezni. Hány elektront adjunk, és melyik oldalhoz? Ha két elektront adunk a jobb oldalhoz, azzal ott is zérzus lesz a töltés. Vegyük észre, hogy a bal oldalon és a jobb oldalon is két vízmolekula van, így ezekkel egyszerűsíthetünk a félreakció végleges felírásakor. Tehát egy kadmium és két hidroxid átalakul kadmium-hidroxiddá és két elektronná. Ez az oxidáció: elektronleadás történik ebben a félreakcióban. Jöhet a redukciós félreakció. Az oxidáció az akkumulátor anódján történik, a redukció a katódján. Nézzük meg, mi szerepel itt fönt, hogy lássuk, mit kell írnunk a redukcióhoz! A nikkel +3-as oxidációs állapotból +2-esre fog változni. Csökken az oxidációs száma, redukálódik. A félreakcióban a nikkel-oxid-hidroxid alakul át nikkel-hidroxiddá. Rendezzük: egy nikkel a bal oldalon, egy nikkel a jobb oldalon. Két oxigén a bal oldalon, két oxigén a jobb oldalon. Nézzük a hidrogént! A bal oldalon egy hidrogén van, a jobb oldalon azonban kettő. Ismét úgy teszünk, mintha savas lenne az oldat, a hidrogéneket protonok hozzáadásával rendezzük. Hány proton kell, és melyik oldalon? Két hidrogén van a jobb oldalon, és csak egy a bal oldalon, így egy protont kell adni a bal oldalhoz. Ezzel rendeztük a hidrogént. Most megszabadulunk a protontól, hiszen az oldat lúgos. Mivel egy proton van, egy hidroxidot kell hozzáadni. Ha a bal oldalra írunk egy hidroxidot, a jobb oldalra is kell egy. Írjuk akkor le, hogy így mi lesz. H⁺ és OH⁻ együtt ad egy H₂O-t. Van H₂O és a nikkel-oxid-hidroxid. A jobb oldalon nikkel-hidroxid van, és OH⁻, azaz hidroxid. Még a töltéseket kell rendezni. A bal oldalon a töltés 0. A jobb oldalon egy hidroxidion van, ez -1-es töltést jelent. Ezért a bal oldalhoz egy elektront kell adni, hogy a töltés megmaradjon. -1 a bal oldalon, -1 a jobb oldalon. Elektron hozzáadása redukciót jelent, ez is rendben van. Ez tehát a redukciós félreakciónk. Most adjuk össze a két félreakciót! Ez volt az oxidációs félreakció, két elektron leadásával. Amikor összeadjuk a félreakciókat, ugyanannyi elektronnak kell szerepelnie bennük, hiszen az oxidációban leadott elektronok számával megegyezőt lehet a redukcióban fölvenni. Tehát a redukcióhoz két elektron kell, ezért meg kell szorozni a redukciós félreakcióban mindent kettővel. Két elektron lesz, két víz, két NiOOH, két nikkel-hidroxid és két hidroxidion. Most már mindkét oldalon azonos az elektronok száma, összeadhatjuk a két félreakciót, hogy megkapjuk a nikkel-kadmium–elem bruttó reakcióját. Ezt a két félreakciót, amit bekereteztem, összeadjuk. Néhány dolog kiesik, ezzel egyszerűbb lesz az összeadás. Kiesnek ezek az elektronok a termék- és a reagensoldalon is. Kihúzhatjuk a hidroxidot, hiszen kettő van a reagensoldalon és kettő a termékoldalon is. Most már felírhatjuk a bruttó reakciót. Ebben a félreakcióban van egy kadmium, ide lehet írni. Van ezen kívül H₂O, és két NiOOH. Mik lesznek a termékek? Lesz kadmium-hidroxid, és itt alul két nikkel-hidroxid. Készen is vagyunk. Ez a nikkel-kadmium akkumulátorban lezajló bruttó reakció. A két termék, a kadmium-hidroxid és a nikkel-hidroxid egyaránt szilárd anyag, amelyek az elem elektródjaira leválnak, így könnyű megfordítani a reakciót. Amikor megfordítjuk, a kadmium-hidroxidból és a nikkel-hidroxidból indulunk ki, melyek eleve ott vannak; ezért könnyű megfordítani a folyamatot, és könnyű feltölteni az elemet. A nikkel-kadmium akkumulátor az ólomakkumulátorhoz hasonlóan újratölthető, ezért a gyakorlatban is jól alkalmazható.