Τύποι ηλεκτροχημικών κυψελών

Εισαγωγή

Η Ηλεκτροχημεία είναι ένας κλάδος της Χημείας που ασχολείται με την αλληλομετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια και αντίστροφα. Για να πραγματοποιηθούν αυτές οι μετατροπές, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι ηλεκτροχημικών στοιχείων.

Τα ηλεκτροχημικά κύτταρα είναι δύο τύπων, τα οποία περιγράφονται παρακάτω:

1. Γαλβανικό στοιχείο/ Βολταϊκό στοιχείο/ κυψέλη Daniell – Σε αυτόν τον τύπο ηλεκτροχημικών στοιχείων, μια αυθόρμητη χημική ουσία παράγει ηλεκτρικό ρεύμα.
2. Ηλεκτρολυτικό στοιχείο – Σε αυτόν τον τύπο ηλεκτροχημικών στοιχείων, ένα ηλεκτρικό ρεύμα οδηγεί μια μη αυθόρμητη χημική αντίδραση.

Κατασκευή/εργασία κυττάρων Daniell –

Σε ένα ποτήρι ζέσεως, στην αριστερή πλευρά, η ράβδος Zn βυθίζεται σε διάλυμα θειικού ψευδαργύρου. Σε ένα άλλο ποτήρι, στη δεξιά πλευρά, η ράβδος Cu βυθίζεται σε διάλυμα θειικού χαλκού. Οι δύο ράβδοι συνδέονται χρησιμοποιώντας ένα αγώγιμο σύρμα. Σε μια αυθόρμητη χημική αντίδραση που συνέβη στη ράβδο Zn, ο Zn οξειδώθηκε. Τα ιόντα Zn αναμίχθηκαν στο διάλυμα και τα ηλεκτρόνια (αρνητικό φορτίο) συσσωρεύτηκαν στη ράβδο. Και αυτά τα ηλεκτρόνια συσσωρεύτηκαν και ταξίδεψαν στη ράβδο Cu, προκαλώντας τη μείωση του διαλύματος θειικού χαλκού. Αυτή η διαδικασία συνεχίστηκε, και τα ηλεκτρόνια έρεαν από το Zn στο Cu, ενώ το ρεύμα έρεε προς την αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή από το Cu στον Zn.

Μετά από λίγο καιρό, στο κελί του Ντάνιελ, προέκυψε ένα πρόβλημα. Στο αριστερό μισό κύτταρο, ιόντα Zn2+ συσσωρεύονταν στο διάλυμα, αλλά στη συνέχεια, η συγκέντρωση του θετικού φορτίου αυξήθηκε στο διάλυμα και άρχισαν να τραβούν τα ηλεκτρόνια στη ράβδο προς τον εαυτό του, γεγονός που περιόριζε την προς τα έξω ροή ηλεκτρονίων από το Ράβδος Zn στη ράβδο Cu. Ομοίως, στο δεξί μισό κύτταρο, η συγκέντρωση των θειικών ιόντων αυξήθηκε στο διάλυμα, γεγονός που περιόρισε περαιτέρω την εσωτερική ροή των ηλεκτρονίων.

Αυτό το ζήτημα επιλύθηκε χρησιμοποιώντας μια γέφυρα αλατιού . Είναι ένας ανεστραμμένος σωλήνας σχήματος U γεμάτος με έναν αδρανή ηλεκτρολύτη, όπως KCl, KNO3, K2SO4 σε διάλυμα άγαρ-άγαρ. Η γέφυρα αλατιού παρέχει αρνητικό φορτίο αδρανούς ηλεκτρολύτη στο αριστερό μισό στοιχείο και εξουδετερώνει το πλεονάζον θετικό φορτίο, ενώ παρέχει θετικό φορτίο αδρανούς ηλεκτρολύτη στο δεξί μισό στοιχείο και εξουδετερώνει το πλεονάζον αρνητικό φορτίο. Ως εκ τούτου, διατηρεί την ουδετερότητα των ημιστοιχείων και ολοκληρώνει το κύκλωμα επιτρέποντας τη ροή των ηλεκτρονίων.

Υπάρχουν δύο προϋποθέσεις για τη χρήση του ηλεκτρολύτη στη γέφυρα αλατιού:

1. Θα πρέπει να είναι αδρανές. Δεν πρέπει να αντιδρά και να σχηματίζει ιζήματα με κανένα από τα ιόντα των ημι-κυττάρων.
2. Τα ιόντα του ηλεκτρολύτη πρέπει να έχουν καλή κινητικότητα.

Λειτουργίες γέφυρας αλατιού:

• Συνδέει τη λύση δύο μισών κυψελών για να ολοκληρώσει το κύκλωμα.
• Ελαχιστοποιεί το δυναμικό διασταύρωσης υγρού που είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ της ένωσης δύο υγρών.
• Διατηρεί την ηλεκτρική ουδετερότητα του διαλύματος για να παρέχει συνεχή ροή ή παραγωγή ρεύματος.
• Αν αφαιρεθεί η γέφυρα αλατιού, τότε η τάση πέφτει στο μηδέν.
• Αποτρέπει τη μηχανική ανάμειξη δύο ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων.

Αναπαράσταση της Daniell Cell –

Η άνοδος είναι γραμμένη στην αριστερή πλευρά και η κάθοδος στη δεξιά πλευρά. Η κατακόρυφη γραμμή υποδηλώνει την επαφή μεταξύ των δύο φάσεων. Η άνοδος του στοιχείου αντιπροσωπεύεται πρώτα με την εγγραφή του μετάλλου και στη συνέχεια με το μεταλλικό ιόν που υπάρχει στο ηλεκτρολυτικό διάλυμα. Και τα δύο χωρίζονται από μια κάθετη γραμμή. Η μοριακή συγκέντρωση γράφεται σε αγκύλες μετά τον τύπο του ιόντος.

Ηλεκτρολυτικά κύτταρα –

Ένας άλλος τύπος ηλεκτροχημικών στοιχείων είναι ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο. Αυτά τα κύτταρα είναι το αντίθετο των ηλεκτροχημικών στοιχείων. Εδώ, το ηλεκτρικό ρεύμα χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή χημικών αντιδράσεων.

Σε ένα δοχείο που φέρει ηλεκτρολυτικό διάλυμα, η άνοδος και η κάθοδος συνδέονται χρησιμοποιώντας μια μπαταρία. Η άνοδος συνδέεται με το θετικό μισό της μπαταρίας, ενώ η κάθοδος συνδέεται με το αρνητικό μισό της μπαταρίας. Κατά την παροχή ρεύματος, τα ιόντα κινούνται προς ηλεκτρόδια αντίθετης πολικότητας και υφίστανται οξείδωση και αναγωγή. Εδώ, η άνοδος είναι θετικά φορτισμένη και, ως εκ τούτου, λαμβάνει χώρα αναγωγή. Η κάθοδος είναι αρνητικά φορτισμένη και λαμβάνει χώρα οξείδωση. Η αντίδραση οξειδοαναγωγής που λαμβάνει χώρα σε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο είναι μη αυθόρμητη και λαμβάνει χώρα μόνο όταν παρέχεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Συμπέρασμα

Τα ηλεκτροχημικά κύτταρα και οι τύποι τους αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της χημικής βιομηχανίας και της καθημερινής μας ζωής. Η μπαταρία, η οποία χρησιμοποιείται σε τηλεχειριστήρια, ρολόγια κ.λπ., είναι ένα παράδειγμα. Τα γαλβανικά κύτταρα χρησιμοποιούν ενέργεια που παράγεται από αυθόρμητες χημικές αντιδράσεις για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, ενώ στα ηλεκτρολυτικά στοιχεία, το παρεχόμενο ηλεκτρικό ρεύμα διευκολύνει τις μη αυθόρμητες αντιδράσεις.