Ηλεκτροχημική εργασία

Εισαγωγή

Ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο είναι ένα όργανο που μπορεί είτε να κατασκευάσει ηλεκτρική ενέργεια από χημικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του είτε να χρησιμοποιήσει ηλεκτρική ενέργεια για να βοηθήσει τις χημικές αντιδράσεις να πραγματοποιηθούν μέσα σε αυτό. Χρησιμοποιώντας αυτές τις συσκευές, η χημική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια ή το αντίστροφο. Ένα συμβατικό στοιχείο 1,5 volt, το οποίο τροφοδοτεί πολλά ηλεκτρικά στοιχεία, όπως τηλεχειριστήρια τηλεόρασης και ρολόγια, είναι ένα παράδειγμα ηλεκτροχημικής κυψέλης.

Τα γαλβανικά και τα βολταϊκά κύτταρα είναι δύο τύποι που μπορούν να δημιουργήσουν ηλεκτρικό ρεύμα μέσω χημικών διεργασιών. Εναλλακτικά, τα κύτταρα που προκαλούν χημικές αντιδράσεις όταν περνάει ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτά ονομάζονται ηλεκτρολυτικά κύτταρα.

ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΚΥΤΤΑΡΩΝ

• Τα ηλεκτροχημικά κύτταρα συναρμολογούνται από δύο ημιστοιχεία, το καθένα από τα οποία αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο βυθισμένο σε έναν ηλεκτρολύτη. Ένας παρόμοιος ηλεκτρολύτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τα δύο μισά κύτταρα.
• Αυτά τα μισά κύτταρα ενώνονται με μια γέφυρα αλατιού που παρέχει την πλατφόρμα για ιοντική επαφή μεταξύ τους χωρίς ανάμειξη. Η γέφυρα αλατιού είναι ένα διηθητικό χαρτί που έχει εμποτιστεί σε διάλυμα νιτρικού καλίου ή χλωριούχου νατρίου.
• Ένα από τα μισά κυψέλες του ηλεκτροχημικού κυττάρου χάνει ηλεκτρόνια λόγω οξείδωσης, ενώ το άλλο λαμβάνει ηλεκτρόνια μέσω μιας διαδικασίας αφαίρεσης.
• Συμβαίνει μια αντίδραση σταθερότητας και στα δύο ημικύτταρα. Μόλις επιτευχθεί η ισορροπία, η καθαρή τάση γίνεται 0 και το στοιχείο σταματά να παράγει ηλεκτρική ενέργεια.
•  Ο τρόπος επαφής του ηλεκτροδίου με έναν ηλεκτρολύτη για την απώλεια ή την απόκτηση ηλεκτρονίων περιγράφεται από τη χωρητικότητα του ηλεκτροδίου. Η σημασία αυτών των δυναμικών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υποδείξει το συνολικό δυναμικό του κυττάρου. Κατά κύριο λόγο, τα δυναμικά των ηλεκτροδίων μετρώνται με τη βοήθεια του τυπικού ηλεκτροδίου υδρογόνου ως ηλεκτροδίου αναφοράς (ηλεκτρόδιο γνωστού δυναμικού).

Πρωτεύοντα και δευτερεύοντα κύτταρα

• Τα πρωτεύοντα κύτταρα είναι γαλβανικά στοιχεία χρήσης και ρίψης. Οι ηλεκτροχημικές επιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε αυτές τις κυψέλες είναι μη αναστρέψιμες. Ως εκ τούτου, τα αντιδρώντα καταναλώνονται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το στοιχείο σταματά να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα μόλις τα αντιδρώντα εξαντληθούν πλήρως.
• Οι δευτερεύουσες κυψέλες (γνωστές και ως επαναφορτιζόμενες μπαταρίες) είναι ηλεκτροχημικές κυψέλες. Το κύτταρο έχει μια αναστρέψιμη αντίδραση, δηλαδή το στοιχείο μπορεί να λειτουργήσει ως γαλβανικό στοιχείο και ως ηλεκτρολυτικό στοιχείο.
• Οι περισσότερες πρωτεύουσες μπαταρίες (πολλαπλές κυψέλες συνδεδεμένες σε σειρά, παράλληλα ή συνδυασμός των δύο) θεωρούνται άχρηστες και επιβλαβείς για το περιβάλλον συσκευές. Απαιτούν περίπου 50 φορές την ενέργεια που περιέχουν στη διαδικασία παραγωγής τους. Έχουν επίσης πολλά τοξικά μέταλλα και θεωρούνται επικίνδυνα απόβλητα.

Κατηγορίες Ηλεκτροχημικών Κυψελών

Οι δύο κύριες ποικιλίες ηλεκτροχημικών στοιχείων είναι

1. Βολταϊκά στοιχεία (Γαλβανικά στοιχεία)
2. Ηλεκτρολυτικά κύτταρα

Βολταϊκά στοιχεία (Γαλβανικά στοιχεία): Ένα γαλβανικό στοιχείο μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Εδώ, η αντίδραση οξειδοαναγωγής είναι αυτόματη και υπεύθυνη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Eηλεκτρολυτικά κύτταρα: Ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια. Η αντίδραση οξειδοαναγωγής δεν είναι τυχαία και απαιτεί ηλεκτρική ικανότητα για την έναρξη της απόκρισης. Και τα δύο ηλεκτρόδια είναι τοποθετημένα στο ίδιο δοχείο στο διάλυμα του τηγμένου ηλεκτρολύτη.

Λειτουργία ηλεκτροχημικού στοιχείου:

Η άνοδος και η κάθοδος είναι τα δύο αγώγιμα ηλεκτρόδια στα ηλεκτροχημικά κύτταρα. Το ηλεκτρόδιο που διατηρεί την οξείδωση αναγνωρίζεται ως άνοδος. Το ηλεκτρόδιο που υφίσταται αναγωγή είναι η κάθοδος. Οποιοδήποτε επαρκώς λειτουργικό υλικό, συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων, των ημιαγωγών, του γραφίτη, ακόμη και των αγώγιμων πολυμερών, μπορεί να δημιουργήσει ηλεκτρόδια. Ο ηλεκτρολύτης, ο οποίος περιλαμβάνει ελεύθερα κινούμενα ιόντα, βρίσκεται ανάμεσα σε αυτά τα ηλεκτρόδια.

Κάθε μεταλλικό ηλεκτρόδιο στο βολταϊκό στοιχείο βυθίζεται σε διάλυμα ηλεκτρολύτη. Η άνοδος θα οξειδωθεί, ενώ η κάθοδος θα ανάγεται. Το μέταλλο της ανόδου θα οξειδωθεί, μεταβαίνοντας από μια κατάσταση οξείδωσης 0 (στερεά μορφή) σε μια ευνοϊκή οξείδωση (ιόν). Στην κάθοδο, το μόνο μεταλλικό ιόν στο διάλυμα δέχεται ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια, μειώνοντας την κατάσταση οξείδωσης του ιόντος στο 0. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα στερεό μεταλλικό στρώμα στην κάθοδο. Τα δύο ηλεκτρόδια πρέπει να είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα για να επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να πάνε από το μέταλλο της ανόδου στα ιόντα στην επιφάνεια της καθόδου. Ένα ηλεκτρικό ρεύμα είναι μια ροή ηλεκτρονίων που μπορεί να γυρίσει έναν κινητήρα ή να ανάψει μια λάμπα.

Παράδειγμα Ηλεκτροχημικού στοιχείου:

Παράδειγμα αντίδρασης:Ο νόμος λειτουργίας του βολταϊκού στοιχείου είναι η σύγχρονη οξείδωση και η απόκριση αναγωγής ονομάζεται απόκριση οξειδοαναγωγής. Αυτή η απόκριση οξειδοαναγωγής αποτελείται από δύο μισές αποκρίσεις. Το οξειδοαναγωγικό στήριγμα είναι μπόμπι και ψευδάργυρος σε ένα τυπικό βολταϊκό στοιχείο, που αντιπροσωπεύεται στην ακόλουθη αντίδραση μισού κυττάρου:

Το ηλεκτρόδιο του ψευδαργύρου (άνοδος) Zn (s) → Zn2 (aq) 2e – 

ηλεκτρόδιο (κάθοδος) Cu2 (aq) 2 e – → Cu (s) 

Τα κύτταρα κατασκευάζονται σε ξεχωριστά φλιτζάνια τσαγιού. Η θερμότητα των ηλεκτροδίων βυθίζεται στα αποτελέσματα ηλεκτρολύτη. Κάθε ημικύτταρο συνδέεται με γείωση, επιτρέποντας την ελεύθερη μεταφορά ιοντικών ειδών μεταξύ των δύο κυψελών. Η υπερχείλιση του ρεύματος και η κυψέλη «παράγει» ηλεκτρική ενέργεια όταν ολοκληρωθεί το κύκλωμα.

Ο χαλκός διαβρώνει εύκολα τον ψευδάργυρο. η άνοδος είναι ψευδάργυρος και η κάθοδος είναι χαλκός. Τα ανιόντα στα αποτελέσματα είναι θειικά άλατα διαφορετικής ουσίας. Η ηλεκτροχημική αντίδραση ξεκινά όταν μια ηλεκτρικά αγώγιμη συσκευή συνδέει τα ηλεκτρόδια.

Η αντίδραση είναι  Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu.

Το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου παράγει δύο ηλεκτρόνια καθώς οξειδώνεται (Zn→Zn2 + 2e-), τα οποία ταξιδεύουν μέσω του καλωδίου στην κάθοδο χαλκού. Τα ηλεκτρόνια βρίσκουν επίσης Cu2 στο αποτέλεσμα, και το bobby ανάγεται σε ουσία χαλκού (Cu2++2e-→Cu). Το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου θα χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια της απόκρισης και το σώμα θα συρρικνωθεί σε μέγεθος, ενώ το ηλεκτρόδιο χαλκού θα φαίνεται πιο σημαντικό λόγω του εναποτιθέμενου Cu που παράγεται. Είναι απαραίτητο ένα μάκτρο γείωσης για να διατηρείται το φορτίο να ρέει μέσα από το κελί. Χωρίς γείωση, τα ηλεκτρόνια που παράγονται στην άνοδο θα σχηματίζονταν στην κάθοδο και η απόκριση θα σταματούσε να τρέχει.

Τα βολταϊκά κύτταρα χρησιμοποιούνται κυρίως ως αποτέλεσμα ηλεκτρικής ενέργειας. Από τη φύση τους παράγουν συνεχές ρεύμα. Μια μπαταρία είναι ένα πακέτο βολταϊκών στοιχείων που συνδέονται παράλληλα. Μια μπαταρία μολύβδου-οξέος έχει στοιχεία με μόλυβδο και καθόδους που αποτελούνται από διοξείδιο του μολύβδου.

Εφαρμογές Ηλεκτροχημικών Κυψελών

• Τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία χρησιμοποιούνται στην ηλεκτροδιύλιση πολλών μη σιδηρούχων μετάλλων. Χρησιμοποιούνται επίσης στην ηλεκτρονικοποίηση αυτών των μετάλλων.
• Η εμφάνιση μολύβδου, ψευδαργύρου, αλουμινίου και χαλκού υψηλής καθαρότητας περιλαμβάνει ηλεκτρολυτικά στοιχεία.
• Το μεταλλικό νάτριο μπορεί να απελευθερωθεί από τηγμένο χλωριούχο νάτριο τοποθετώντας το σε ηλεκτρολυτικό στοιχείο και περνώντας ηλεκτρικό ρεύμα.
• Πολλές εμπορικά απαραίτητες μπαταρίες είναι γαλβανικές κυψέλες.
• Οι κυψέλες καυσίμου είναι μια εισαγωγική κατηγορία ηλεκτροχημικών στοιχείων που χρησιμεύουν ως πηγή καθαρής ενέργειας σε πολλές απομακρυσμένες τοποθεσίες.

Συμπέρασμα

Ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο είναι μια συσκευή που προκαλεί ισχύ από χημικές αντιδράσεις ή χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να προκαλέσει αντιδράσεις. Τα ηλεκτροχημικά στοιχεία που αναπτύσσουν ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζονται βολταϊκά και αυτά που πραγματοποιούν χημικές αντιδράσεις μέσω της ηλεκτρόλυσης ονομάζονται ηλεκτρολυτικά στοιχεία. Ένα τυπικό παράδειγμα γαλβανικού στοιχείου είναι ένα τυπικό στοιχείο 1,5 volt που προορίζεται για χρήση από τον καταναλωτή. Μια μπαταρία αποτελείται από περισσότερα κελιά συνδεδεμένα σε παράλληλα, σειρές ή σειρές-και-παράλληλα μοτίβα.