Βολταϊκά Στοιχεία &Γαλβανικά Στοιχεία | Ηλεκτροχημικά κύτταρα

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το σεμινάριο σχετικά με τα γαλβανικά κύτταρα , γνωστό και ως βολταϊκά κύτταρα , θα μάθετε τα βασικά των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής και πώς να εφαρμόσετε αυτές τις πληροφορίες σε ηλεκτροχημικά κύτταρα. Θα μάθετε επίσης πώς να προσδιορίζετε ποιες ημι-αντιδράσεις συμβαίνουν σε ποιο ηλεκτρόδιο και να χρησιμοποιείτε αυτά τα τυπικά δυναμικά ημιαντίδρασης για να υπολογίσετε το δυναμικό της κυψέλης.

Υπάρχουν δύο τύποι ηλεκτροχημικών στοιχείων - ένα βολταϊκό στοιχείο, που ονομάζεται επίσης γαλβανικό στοιχείο, και ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο. Τα βολταϊκά στοιχεία παράγουν ηλεκτρισμό, ενώ τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία χρησιμοποιούν μια πηγή ενέργειας για να προωθήσουν μια αντίδραση.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Τι είναι η Ηλεκτροχημεία;
• Τυπικές δυνατότητες μείωσης
• Ηλεκτρολυτικά κύτταρα
• Εξισορρόπηση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής
• Υπολογισμός Αριθμών Οξείδωσης
  

Βασικά στοιχεία των αντιδράσεων οξείδωσης-αναγωγής

Σε μια ηλεκτροχημική διαδικασία, τα ηλεκτρόνια ρέουν από μια ουσία σε μια άλλη ουσία σε αυτό που είναι γνωστό ως αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής (οξειδοαναγωγής). Οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής συμβαίνουν όταν μια ουσία που ονομάζεται οξειδωτικός παράγοντας οξειδώνει μια άλλη ουσία λαμβάνοντας ηλεκτρόνια και ανάγεται. Σε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής, ένα απλό μνημονικό για να θυμάστε την κατεύθυνση της μεταφοράς των ηλεκτρονίων είναι το "Oil Rig", το οποίο σημαίνει "Η οξείδωση χάνει, η μείωση κερδίζει". Αυτό αναφέρεται στο γεγονός ότι κατά την οξείδωση, ένα είδος χάνει ηλεκτρόνια ενώ κατά την αναγωγή, το είδος κερδίζει ηλεκτρόνια.

Σε αντιδράσεις που δεν είναι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις, όπως οι αντιδράσεις οξέος-βάσης, οι καταστάσεις οξείδωσης των στοιχείων δεν αλλάζουν.

Ένα απλό παράδειγμα αντίδρασης οξείδωσης είναι η αντίδραση του οξειδίου του σιδήρου (II) με το μονοξείδιο του άνθρακα ως εξής:

Σε αυτή την αντίδραση, ο σίδηρος μειώνεται από μια κατάσταση οξείδωσης +3 σε 0, ενώ ο άνθρακας οξειδώνεται από μια κατάσταση οξείδωσης +2 σε +4. Όλες οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής θα έχουν ένα είδος οξειδωμένο και ένα είδος μειωμένο.

Ορισμένα στοιχεία, όπως το βανάδιο, μπορούν ακόμη και να εξελιχθούν σε πολλαπλές καταστάσεις οξείδωσης καθώς εξελίσσεται μια αντίδραση οξειδοαναγωγής.

Δυνατότητα μείωσης

Το δυναμικό, γνωστό και ως τάση, είναι μια πολύ σημαντική έννοια στην ηλεκτροχημεία. Αντιπροσωπεύει την ενέργεια σε Joules που μεταφέρεται από ένα Coulomb φορτίου. Κάθε χημικό είδος, συμπεριλαμβανομένων των ατόμων και των ιόντων, έχει μια ορισμένη «προθυμία» να δέχεται ηλεκτρόνια. Αυτό ονομάζεται τυπικό δυναμικό μείωσης , και μετριέται σε βολτ (J/C). Το δυναμικό μείωσης είναι διαφορετικό από την ηλεκτραρνητικότητα και τη συγγένεια ηλεκτρονίων, αλλά σχετίζεται και με τα δύο. Όσο πιο θετικό είναι το δυναμικό μείωσης, τόσο πιο ευνοϊκή είναι μια μείωση.

Επειδή η ημιαντίδραση αναγωγής είναι η διαδικασία με την οποία ένα άτομο/ιόν δέχεται ένα ηλεκτρόνιο, η ευνοϊκότητα αυτής της ημιαντίδρασης μπορεί να αναπαρασταθεί από το δυναμικό αναγωγής. Αντίθετα, η ημιαντίδραση οξείδωσης δείχνει το αντίθετο από ένα ηλεκτρόνιο που είναι αποδεκτό, επομένως θα αντιπροσωπεύεται από το αρνητικό του δυναμικού μείωσης. Η άθροιση των ημι-αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής δίνει τη συνολική εξίσωση αντίδρασης οξειδοαναγωγής. Με τον ίδιο τρόπο, η άθροιση των δυναμικών αναγωγής και οξείδωσης δίνει τη δυνατότητα για τη συνολική αντίδραση. Το δυναμικό είναι στατικό για μια δεδομένη ημιαντίδραση. Επειδή η τιμή δεν αλλάζει ποτέ, οι πίνακες τυπικών αναγωγικών δυναμικών είναι ο καλύτερος φίλος του ηλεκτροχημικού.

Υπολογισμός του δυναμικού

Ο συμβολισμός για την τάση σε αυτό το πλαίσιο είναι E ("e-naught"). E_{κόκκινο} υποδηλώνει δυναμικό μείωσης και E_ox δηλώνει οξείδωση. E_κελί , ή το συνολικό δυναμικό για την αντίδραση, είναι απλώς το άθροισμα του E_{κόκκινο} και E_ox . Ακολουθεί ένα παράδειγμα που συνδυάζει όλα αυτά:

Ημιαντίδραση αναγωγής:Cl₂ + 2e → 2Cl

Από τον πίνακα, αυτή η ημιαντίδραση έχει δυναμικό +1,36 βολτ → E_{κόκκινο} =1,36V.

Ημιαντίδραση οξείδωσης:Al → Al + 3e

Από τον πίνακα η αναγωγή του αλουμινίου έχει τάση -1,66 βολτ. Αυτή όμως είναι η ΟΞΕΙΔΩΣΗ του αλουμινίου, ΟΧΙ η αναγωγή. Επομένως, χρησιμοποιείται η αντίθετη τάση, οπότε E_ox =-E_{κόκκινο} =1,66 V.

Καθαρή αντίδραση οξειδοαναγωγής:3Cl₂ + 2Al → 2AlCl₃

E_κελί =E_{κόκκινο} + E_ox =1,36V + 1,66V =3,02V

Αλλά περιμένετε, η στοιχειομετρία…

Κάποιοι μπορεί να αναρωτιούνται «αν η ημιαντίδραση μείωσης πολλαπλασιάζεται επί τρία για την καθαρή αντίδραση, γιατί το δυναμικό δεν πολλαπλασιάζεται επί τρία;» Το δυναμικό μείωσης είναι ένα από τα λίγα μέρη στη χημεία που δεν εφαρμόζεται η στοιχειομετρία. Ο λόγος είναι απλός:να θυμάστε ότι η τάση είναι ένας λόγος. «Πόση ενέργεια μεταφέρεται ανά κουλόμπο φορτίου;» Ενώ πρέπει να μειωθούν τρεις φορές περισσότερα άτομα χλωρίου από το αλουμίνιο, η σταθερότητα που προσδίδεται από αυτόν τον μετασχηματισμό (η «προθυμία») είναι η ίδια για κάθε ηλεκτρόνιο χλωρίου. Επομένως, ο τεράστιος αριθμός ηλεκτρονίων χλωρίου δεν επηρεάζει την ενεργειακή αλλαγή που παρατηρείται από κανένα δεδομένο.

Ηλεκτροχημικά κύτταρα

Υπάρχουν δύο τύποι ηλεκτροχημικών στοιχείων:γαλβανικά και ηλεκτρολυτικό .

Το γαλβανικό κύτταρο έχει μακρά ιστορία. Το όνομά του προέρχεται από τον Ιταλό φυσικό Λουίτζι Γκαλβάνι (1737 – 1798), ο οποίος παρατήρησε ότι οι μύες των ποδιών βατράχου που είχαν τεμαχιστεί συσπώνονταν όταν τους εφαρμόστηκε ηλεκτρικό ρεύμα. Ένα γαλβανικό στοιχείο χρησιμοποιεί την ενέργεια που απελευθερώνεται από μια αυθόρμητη αντίδραση οξειδοαναγωγής για να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Ένα άλλο κοινό όνομα για τα γαλβανικά στοιχεία είναι βολταϊκά κύτταρα , το οποίο πήρε το όνομά του από έναν άλλο Ιταλό φυσικό, τον Alessandro Volta (1745 – 1827), ο οποίος εφηύρε το γαλβανικό (βολταϊκό) στοιχείο.

Από την άλλη πλευρά, ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα για να οδηγήσει μια κανονικά μη αυθόρμητη αντίδραση οξειδοαναγωγής. Ένα τυπικό παράδειγμα ηλεκτρολυτικού στοιχείου είναι η εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος στο νερό για να οδηγήσει την αποσύνθεση του νερού σε υδρογόνο και αέρια οξυγόνου μέσω της ακόλουθης αντίδρασης:

Οι κύριες ομοιότητες μεταξύ γαλβανικών και ηλεκτρολυτικών στοιχείων είναι ότι και τα δύο χρησιμοποιούν δύο ηλεκτρόδια, μια άνοδο και μια κάθοδο, και περιέχουν διάλυμα ηλεκτρολύτη. Αυτό το διάλυμα ηλεκτρολύτη επιτρέπει τη μεταφορά ιόντων μέσα και έξω από το διάλυμα, ενώ διατηρεί το συνολικό φορτίο του στοιχείου ουδέτερο.

Η κύρια διαφορά μεταξύ ενός γαλβανικού και ηλεκτρολυτικού στοιχείου είναι η κατεύθυνση της εργασίας. Ένα γαλβανικό στοιχείο μετατρέπει μια αυθόρμητη χημική αντίδραση σε χρήσιμο έργο, ενώ ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο χρησιμοποιεί εργασία για να οδηγήσει σε μια μη αυθόρμητη αντίδραση.

Η οξείδωση συμβαίνει στην άνοδο ενώ η αναγωγή στην κάθοδο. Ένα εύκολο μνημονικό για να το θυμάστε αυτό είναι "Η κόκκινη γάτα και ένα βόδι", όπου "κόκκινη γάτα" σημαίνει αναγωγή - κάθοδος και "βόδι" σημαίνει άνοδος - οξείδωση.

Γαλβανικά κύτταρα

Ένα γαλβανικό στοιχείο είναι μια διάταξη που διευκολύνει τις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής με ελεγχόμενο και συγκεκριμένο τρόπο που παράγει ρεύμα (ροή ηλεκτρονίων). Το βολταϊκό στοιχείο, το ηλεκτροχημικό στοιχείο και η μπαταρία είναι όλα διαφορετικά ονόματα για ένα γαλβανικό στοιχείο. Παρακάτω είναι ένα τυπικό γαλβανικό στοιχείο που θα δείξει όλα τα σημαντικά χαρακτηριστικά.

Κάθε γαλβανικό στοιχείο ΠΡΕΠΕΙ να περιέχει τα ακόλουθα:

• Ένα ημικύτταρο οξείδωσης, όπου θα χαθούν ηλεκτρόνια
• Ένα ημικύτταρο αναγωγής, όπου γίνονται δεκτά ηλεκτρόνια
• Ένα καλώδιο που συνδέει τις δύο κυψέλες, που συχνά περιέχει ένα βολτόμετρο για τη μέτρηση του δυναμικού της κυψέλης
• Μια γέφυρα αλατιού ή κάποιος άλλος τρόπος διατήρησης της ισορροπίας φόρτισης

Ας εξετάσουμε κάθε μία από αυτές τις λειτουργίες συγκεκριμένα και γιατί είναι απαραίτητες.

Το ημικύτταρο οξείδωσης

Το ημικύτταρο οξείδωσης είναι το μέρος όπου προέρχονται τα ηλεκτρόνια. Αποτελείται από δύο κύρια μέρη:το ηλεκτρόδιο και το διάλυμα. Το ηλεκτρόδιο ενός κυττάρου οξείδωσης ονομάζεται άνοδος . Σε αυτό το παράδειγμα η άνοδος είναι ψευδάργυρος. Καθώς συμβαίνει η αντίδραση, τα ηλεκτρόνια αφήνουν το μέταλλο ψευδάργυρου στην άνοδο, μετατρέποντάς το σε ιόντα ψευδαργύρου. Αυτά τα ιόντα εισέρχονται στη συνέχεια στο διάλυμα, στην περίπτωση αυτή θειικός ψευδάργυρος. Το αντίθετο ιόν δεν έχει σημασία, αρκεί να είναι διαλυτό με το μεταλλικό ιόν ανόδου. Το κατιόν του διαλύματος όμως θα πρέπει να ταιριάζει με το μέταλλο της ανόδου. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, τα ηλεκτρόνια εγκαταλείπουν την άνοδο και ταξιδεύουν πάνω από το σύρμα στο ημικύτταρο αναγωγής, αυξάνοντας τη συγκέντρωση των μεταλλικών ιόντων στο διάλυμα και καταναλώνοντας την άνοδο.

Το καλώδιο

Αυτό είναι το απλούστερο μέρος της ρύθμισης. Το σύρμα επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ταξιδεύουν ανάμεσα στα δύο ημικύτταρα. Συχνά συνδέεται με μια συσκευή που ονομάζεται βολτόμετρο που μετρά το δυναμικό. Τα βολτόμετρα είναι χρήσιμα για την παρακολούθηση της προόδου της αντίδρασης, αλλά δεν απαιτούνται. Ο αγωγός δεν ΠΡΕΠΕΙ να είναι καλώδιο, αλλά τα καλώδια είναι ο πιο συνηθισμένος τρόπος σύνδεσης των κυψελών για αυτούς τους τύπους ρυθμίσεων.

Το μισό κελί μείωσης

Το ημικύτταρο αναγωγής είναι ο προορισμός για τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από την άνοδο. Το μεταλλικό ηλεκτρόδιο στο ημικύτταρο αναγωγής ονομάζεται κάθοδος . Καθώς τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν στην κάθοδο, έρχονται σε επαφή με το διάλυμα ιόντων. Τα κατιόντα στο διάλυμα στη συνέχεια ανάγονται σε μέταλλο και εναποτίθενται στην επιφάνεια της καθόδου. Σε ένα απλό γαλβανικό στοιχείο, τα κατιόντα ταιριάζουν με την κάθοδο. Σε αυτό το παράδειγμα, ο χαλκός χρησιμοποιείται για την κάθοδο και επομένως τα κατιόντα στο διάλυμα είναι χαλκός. Και πάλι, το αντίθετο δεν έχει σημασία. Καθώς η αντίδραση προχωρά, η συγκέντρωση του κατιόντος μειώνεται και η μάζα της καθόδου αυξάνεται.

Η γέφυρα αλατιού

Καθώς η αντίδραση προχωρά, τα ηλεκτρόνια εγκαταλείπουν την άνοδο και ταξιδεύουν στην κάθοδο. Το θετικό φορτίο από ιόντα μετάλλων στο ημικύτταρο οξείδωσης αυξάνεται και μειώνεται στο ημικύτταρο καθόδου. Αυτό είναι ένα ζήτημα, επειδή η συσσώρευση φορτίου κάνει τις αντιδράσεις δυσμενείς τις περισσότερες φορές. Η γέφυρα αλατιού αφαιρεί αυτό το πρόβλημα. Γενικά, απλά άλατα ιόντων θεατών όπως KCl, NaNO₃ , κ.λπ. δημιουργούν καλές γέφυρες αλατιού. Η γέφυρα αλατιού είναι κορεσμένη με αυτές τις ενώσεις και θα εξισορροπήσει το φορτίο στα δύο ημικελιά. Στο παράδειγμα που παρουσιάζεται, το άλας μπορεί να περιέχει θειικό κάλιο. Καθώς η αντίδραση προχωρά, τα ιόντα καλίου θα εισέλθουν στο ημικύτταρο αναγωγής για να αντικαταστήσουν τα χαμένα ιόντα χαλκού. Ομοίως, θειικά ιόντα θα εισέλθουν στο ημικύτταρο οξείδωσης για να εξισορροπήσουν τα ιόντα ψευδαργύρου που εισέρχονται στο διάλυμα. Χωρίς γέφυρα αλατιού για τη μεσολάβηση φόρτισης, τα γαλβανικά στοιχεία δεν λειτουργούν .

Πρόβλημα εξάσκησης

Ένας χημικός δημιουργεί ένα γαλβανικό στοιχείο για να μεσολαβήσει στην παρακάτω αντίδραση:

Cr + 3Ag → Cr + 3Ag

Χρησιμοποιούν ιόντα νατρίου για τη μεσολάβηση θετικού φορτίου και νιτρικά όπως κάθε αντίθετο ιόν. Επισημάνετε κάθε τμήμα του στοιχείου με το όνομα και το χημικό είδος όπου χρειάζεται και αναφέρετε την τάση που σχετίζεται με την αντίδραση υπό τυπικές συνθήκες.

Απαντήσεις:

α:βολτόμετρο

β:NaNO₃ γέφυρα αλατιού

c:Cr άνοδος

d:Cr(NO₃ )₃ λύση

ε:Κάθοδος Ag

στ:AgNO₃ λύση

Τάση:1,54V

Προσδιορισμός δυναμικού γαλβανικών κυψελών

Εξετάστε το κλασικό γαλβανικό στοιχείο Cu-Zn (βολταϊκό στοιχείο) που απεικονίζεται παρακάτω

Όπως μπορείτε να δείτε από την εικόνα, υπάρχουν δύο ηλεκτρόδια. Το ένα από αυτά είναι ψευδάργυρος και το άλλο είναι χαλκός. Είδαμε από το προηγούμενο παράδειγμα ότι ο ψευδάργυρος είναι η άνοδος και ο χαλκός η κάθοδος. Πώς ξέρουμε όμως; Για να προσδιοριστεί ποιο ηλεκτρόδιο είναι η άνοδος και ποιο η κάθοδος, πρέπει να ληφθούν υπόψη οι δύο ημι-αντιδράσεις. Η ημιαντίδραση είναι η καθαρή αντίδραση που συμβαίνει με το είδος να οξειδώνεται ή να ανάγεται και δείχνει τη ροή των ηλεκτρονίων. Πάρτε τις δύο ημι-αντιδράσεις στο κελί Cu-Zn:

Όταν δίνονται δύο ημι-αντιδράσεις όπως αυτή, τα είδη με υψηλότερο δυναμικό μείωσης τυπικά θα μειωθούν. Εξαιτίας αυτού, μπορούμε να δούμε ότι στο κελί Cu-Zn, ο χαλκός θα μειωθεί ενώ ο ψευδάργυρος θα οξειδωθεί. Στη συνέχεια, πρέπει να αναστρέψουμε την ημιαντίδραση ψευδαργύρου για να δείξουμε την αντίδραση οξείδωσης:

Σημειώστε ότι αν και αναστρέψαμε τη χημική εξίσωση, το τυπικό δυναμικό μείωσης παραμένει αρνητικό.

Από την ημιαντίδραση μείωσης του χαλκού και την ημιαντίδραση οξείδωσης ψευδαργύρου, μπορούμε να δημιουργήσουμε τη συνολική καθαρή αντίδραση οξειδοαναγωγής προσθέτοντάς τα μαζί και διασφαλίζοντας ότι τα ηλεκτρόνια αθροίζονται σωστά:

Τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση για να προσδιορίσετε το συνολικό δυναμικό του κελιού. Για το κελί μας Cu-Zn, το δυναμικό είναι:

Θυμηθείτε ότι η αναγωγή συμβαίνει στην κάθοδο και η οξείδωση στην άνοδο. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τον υπολογισμό των δυναμικών κελιών εδώ.

Διαγράμματα κελιών

Η κατανόηση ενός κυτταρικού διαγράμματος είναι πολύ απλή. Η ιδέα ενός διαγράμματος κυψέλης είναι να δίνει μια πιο βολική γραμμική σημείωση που δείχνει εύκολα τα όρια φάσης, που σημειώνονται με μια ενιαία κάθετη γραμμή, και τη γέφυρα αλατιού, που σημειώνεται με μια διπλή κάθετη γραμμή.

Ακολουθώντας αυτήν τη σύμβαση για το κύτταρο Cu-Zn θα μας οδηγήσει στο ακόλουθο διάγραμμα κυψελών:

Περαιτέρω ανάγνωση

Μάθετε για τις ανόδους ψευδαργύρου σε ηλεκτροχημικές κυψέλες εδώ!
Κατασκευάστε το δικό σας γαλβανικό στοιχείο από μια μπαταρία πατάτας

Για υπολογισμούς σε μη τυπικές συνθήκες, χρησιμοποιήστε την Εξίσωση Nernst!