Ηλεκτροχημική Χημεία

Η Ηλεκτροχημεία είναι εκείνος ο κλάδος της Χημείας που ασχολείται με τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική ενέργεια και αντίστροφα. Μια χημική αντίδραση συμβαίνει όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διεξάγεται μέσω ενός υδατικού διαλύματος συγκεκριμένων χημικών ουσιών ή μέσω τηγμένων αλάτων. Επιπλέον, οι χημικές αντιδράσεις είναι υπεύθυνες για την ηλεκτρική ενέργεια σε ξηρές κυψέλες, κουμπιά και μπαταρίες μολύβδου οξέος. Σε αυτό το μάθημα θα μάθετε για ορισμένα χαρακτηριστικά αυτών των διαδικασιών.

Ηλεκτροχημικά κύτταρα:

Μια αυθόρμητη χημική διαδικασία είναι αυτή που μπορεί να συμβεί από μόνη της, και σε μια τέτοια αντίδραση, η ενέργεια Gibbs του συστήματος πέφτει. Αυτή η ενέργεια στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Η αντίστροφη αντίδραση είναι κατάλληλη όπου μπορούμε να δημιουργήσουμε μη αυθόρμητους κύκλους που θα πραγματοποιηθούν παράγοντας εξωτερική ενέργεια ως ηλεκτρική ενέργεια.

Τα ηλεκτροχημικά κύτταρα χρησιμοποιούνται για να γίνουν αυτές οι αλληλομετατροπές. Ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο είναι μια συσκευή που παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέσω χημικών αντιδράσεων. Η ηλεκτρική ενέργεια που παρέχεται στα ηλεκτροχημικά κύτταρα χρησιμοποιείται για την εξομάλυνση των χημικών αντιδράσεων. Οι συσκευές σε ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο έχουν την ικανότητα να μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια ή το αντίστροφο.

Τύποι:

Τα ηλεκτροχημικά κύτταρα χωρίζονται περαιτέρω σε δύο κατηγορίες:

1. Γαλβανικά κύτταρα:- Μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια.
2. Ηλεκτρολυτικά κύτταρα:- Μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια.

Γαλβανικά κύτταρα:

Η ενέργεια των κυττάρων αντλείται από μια αυθόρμητη χημική διαδικασία ή αντίδραση και στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύμα. Για παράδειγμα, το Κύτταρο Daniell είναι ένα Γαλβανικό Κύτταρο στο οποίο χρησιμοποιούνται ψευδάργυρος και χαλκός για να λάβει χώρα η αντίδραση οξειδοαναγωγής.

Zn(s) + Cu²⁺ → (aq) Zn²⁺ (aq) + Cu(s) 

Μισή οξείδωση :Zn(s) → Zn²⁺ (aq) + 2e⁻ 

Μισό μείωσης :Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)

Ο Zn είναι ο αναγωγικός παράγοντας και ο Cu2+ είναι ο οξειδωτικός παράγοντας. Τα μισά κύτταρα αναγνωρίζονται επίσης ως Ηλεκτρόδια. Το ήμισυ της οξείδωσης ονομάζεται άνοδος και το μισό αναγωγής ονομάζεται Κάθοδος. Τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από άνοδο σε κάθοδο στο εξωτερικό κύκλωμα. Η άνοδος λέγεται ότι έχει αρνητική πολικότητα και η κάθοδος λέγεται ότι έχει θετική πολικότητα. Στο Daniell Cell, ο Zn πηγαίνει ως άνοδος και ο Cu ως η κάθοδος.

Ηλεκτρολυτικό στοιχείο:

Σε αυτή τη διαδικασία, τα ηλεκτρόδια βυθίζονται σε ένα ηλεκτρολυτικό διάλυμα που περιέχει κατιόντα και ανιόντα. Κατά την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος, τα ιόντα προχωρούν προς ηλεκτρόδια αντίθετης πολικότητας και λαμβάνει χώρα ταυτόχρονη αναγωγή και οξείδωση.

Δυνατότητα ηλεκτροδίου:

Δυναμικό ηλεκτροδίου είναι η τάση ενός στοιχείου όταν έρχεται σε επαφή με τα δικά του ιόντα είτε να χάνει είτε να αποκτά ηλεκτρόνια και έτσι να φορτίζεται θετικά ή αρνητικά. Το δυναμικό του ηλεκτροδίου ονομάζεται δυναμικό οξείδωσης ή αναγωγής, ανάλογα με το εάν έχει συμβεί οξείδωση ή αναγωγή.

M(s) ⇌ Mⁿ⁺(aq) + ne⁻

Mⁿ⁺(aq) + ne⁻⇌ M(s)

Δυνατότητα οξείδωσης:

Δυναμικό οξείδωσης είναι η τάση για απώλεια ηλεκτρονίων. Το δυναμικό οξείδωσης ενός μισού κυττάρου είναι αντιστρόφως ανάλογο με τη συγκέντρωση ιόντων μέσα στο διάλυμα.

Δυνατότητα μείωσης:

Δυναμικό μείωσης είναι η τάση για απόκτηση ηλεκτρονίων. Σύμφωνα με τη σύμβαση IUPAC, το δυναμικό μείωσης από μόνο του μπορεί να ονομαστεί δυναμικό ηλεκτροδίου εκτός εάν αναφέρεται συγκεκριμένα.

Τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίων (Eº):

Τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου είναι το δυναμικό ηλεκτροδίου ενός ηλεκτροδίου που κρίνεται συγκριτικά με το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου υπό τυπικές συνθήκες.

Οι τυπικές συνθήκες που λαμβάνονται είναι:

(i) συγκέντρωση 1Μ κάθε ιόντος στο διάλυμα.

(ii) Θερμοκρασία 298 K. 

(iii) 1 bar πίεση για κάθε αέριο.

Δυναμικό κυψέλης ή EMF κυψέλης:

Το EMF ή η Ηλεκτροκινητική Δύναμη ενός στοιχείου είναι η αντίθεση μεταξύ των δυναμικών ηλεκτροδίων δύο ημιστοιχείων και προκαλεί ένα ρεύμα ρεύματος από ηλεκτρόδιο με υψηλότερο δυναμικό σε ηλεκτρόδιο με χαμηλότερο δυναμικό. Είναι επιπλέον το ποσοστό της αλλαγής της ελεύθερης ενέργειας.

Ecell =Ecathode + Eanode

Για αυτήν την εξίσωση χρησιμοποιούμε το δυναμικό οξείδωσης της ανόδου και το δυναμικό αναγωγής της καθόδου.

Εφόσον η άνοδος τοποθετείται στα αριστερά και η κάθοδος στα δεξιά, ακολουθεί επομένως,

=Er + El 

Συμπέρασμα:

Σε αυτό το κεφάλαιο, καλύψαμε όλα τα θεμελιώδη θέματα της ηλεκτροχημείας. Εξετάσαμε τη συμπεριφορά ενός ευρέος φάσματος τύπων ηλεκτροχημικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς. Τα γαλβανικά κύτταρα βασίζονται σε αυθόρμητες αντιδράσεις οξείδωσης-αναγωγής για την παραγωγή ρεύματος και την παροχή ενέργειας. Το στοιχείο συγκέντρωσης είναι ένας τύπος γαλβανικού στοιχείου στο οποίο το ρεύμα προσδιορίζεται από μια βαθμίδα συγκέντρωσης ιόντων και όχι από μια διαφορά στο δυναμικό μείωσης μεταξύ δύο χημικά διακριτών ηλεκτροδίων. Τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα βασίζονται σε εξωτερικές πηγές τάσης για να τροφοδοτήσουν την ηλεκτρόλυση, μια μη αυθόρμητη αντίδραση οξείδωσης-μείωσης. Τέλος, εξετάσαμε τη θερμοδυναμική διαφόρων τύπων κυττάρων. Οι ηλεκτρολυτικές κυψέλες έχουν αρνητικές ηλεκτροκινητικές δυνάμεις (emf) και θετικές αλλαγές ελεύθερης ενέργειας, ενώ οι γαλβανικές κυψέλες και οι κυψέλες συγκέντρωσης έχουν θετικές αλλαγές emf και αρνητικές αλλαγές ελεύθερης ενέργειας.