Ηλεκτροχημεία

Μια συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια και αντίστροφα λέγεται ηλεκτροχημική κυψέλη. Οι αντιδράσεις μπορεί να είναι δύο τύπων, δηλαδή αυθόρμητες και μη αυθόρμητες χημικές αντιδράσεις. Οι αυθόρμητες χημικές αντιδράσεις είναι αυτές που λαμβάνουν χώρα από μόνες τους χωρίς τη βοήθεια εξωτερικού ρεύματος ή διαφοράς δυναμικού. Αντίθετα, οι μη αυθόρμητες χημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα με τη βοήθεια του εξωτερικού τροφοδοτικού. Με άλλα λόγια, στην περίπτωση αυθόρμητων αντιδράσεων, η ενέργεια που διαθέτουν τα μόρια είναι ίση με την ενέργεια ενεργοποίησής τους.

Αντίθετα, το αντίστροφο ισχύει για τη μη αυθόρμητη αντίδραση, δηλαδή η ενέργεια που διαθέτουν τα μόρια δεν είναι ίση με την ενέργεια ενεργοποίησης. Σε μια διαδικασία αυθόρμητης χημικής αντίδρασης, η ελεύθερη ενέργεια του συστήματος Gibb μειώνεται. Τα ηλεκτροχημικά κύτταρα είναι δύο τύπων. Πρόκειται δηλαδή για γαλβανικά στοιχεία και ηλεκτρολυτικά στοιχεία.

Γαλβανικά κύτταρα:

Το κύτταρο που μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω της αντίδρασης οξειδοαναγωγής αναφέρεται ως γαλβανικό στοιχείο. Η αντίδραση οξείδωσης και αναγωγής λαμβάνει χώρα σε δύο διαφορετικά διαμερίσματα που περιέχουν δύο διαφορετικά ηλεκτρόδια και έναν κατάλληλο ηλεκτρολύτη που υποστηρίζει την κινητικότητα των ηλεκτρονίων και τη ροή των ηλεκτρικών ρευμάτων μέσω αυτών. Τα κύρια συστατικά των γαλβανικών κυψελών είναι η γέφυρα αλατιού, τα ηλεκτρόδια, οι ηλεκτρολύτες, το δυναμικό της κυψέλης. Η γέφυρα Salt είναι ένας ανεστραμμένος σωλήνας σχήματος U με συγκεντρωμένους αδρανείς ηλεκτρολύτες που βοηθά στη διατήρηση της πυκνότητας φορτίου στα δύο διαμερίσματα. Κάθε διαμέρισμα περιέχει ένα ηλεκτρόδιο και έναν ηλεκτρολύτη, τα μισά στοιχεία που ονομάζονται άνοδος και κάθοδος. Δυναμικό ηλεκτροδίου είναι η διαφορά δυναμικού που οδηγεί το ρεύμα προς την αντίθετη κατεύθυνση για να πραγματοποιηθεί η οξείδωση και η αναγωγή. Η τάση στην οποία προτιμάται θερμοδυναμικά η ηλεκτρόλυση είναι η διαφορά στα δυναμικά του ηλεκτροδίου της καθόδου και της ανόδου, που υπολογίζεται από την εξίσωση Nernst . Θεωρητικά, αυτό βοηθά στον υπολογισμό του δυναμικού της κυψέλης και του δυναμικού ηλεκτροδίου τόσο της ανόδου όσο και της καθόδου. Επιπλέον, αυτό βοηθά επίσης να προβλεφθεί εάν η κυτταρική αντίδραση είναι εφικτή ή όχι.

Παράδειγμα γαλβανικού στοιχείου:

Το κύτταρο Daniel είναι ένα γαλβανικό στοιχείο που έχει ψευδάργυρο και χαλκό ως δύο μισά κύτταρα.

Ηλεκτροχημική Σειρά:

Οι διατάξεις των διαφορετικών στοιχείων κατά σειρά του αυξανόμενου δυναμικού ηλεκτροδίου τους σε σχέση με το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου έχουν ως αποτέλεσμα την ηλεκτροχημική σειρά. Το διάφορο δυναμικό ηλεκτροδίου μετράται έναντι του ηλεκτροδίου υδρογόνου, του οποίου η τιμή είναι ίση με μηδέν.

Ηλεκτρολυτικό στοιχείο :

Μια συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια αναφέρεται ως ηλεκτρολυτικό στοιχείο. Η αρχή λειτουργίας αυτού του στοιχείου είναι ακριβώς το αντίθετο από τα γαλβανικά στοιχεία. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίδραση οξειδοαναγωγής λαμβάνει χώρα στο ίδιο διαμέρισμα καθώς και τα δύο ηλεκτρόδια βυθίζονται στο ίδιο δοχείο που περιέχει τους ηλεκτρολύτες. Τα ηλεκτρόδια συνδέονται με μια εξωτερική πηγή τροφοδοσίας που ολοκληρώνει το κύκλωμα. Όταν το ρεύμα ρέει, τα κατιόντα και τα ανιόντα αρχίζουν να κινούνται προς την αντίθετη πολικότητα και οι αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής συμβαίνουν ταυτόχρονα στην κάθοδο και στην άνοδο, αντίστοιχα.

Παράδειγμα:

Η ηλεκτρόλυση τετηγμένου άλατος είναι ένα παράδειγμα ηλεκτρολυτικού στοιχείου.

Συμπέρασμα:

Ο κλάδος της χημείας ασχολείται με τη μελέτη των σχέσεων μεταξύ ηλεκτρικής ενέργειας και χημικών αλλαγών. Οι χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν την παραγωγή ή την εισαγωγή ηλεκτρικών ρευμάτων αναφέρονται ως ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Το στοιχείο που μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω της αντίδρασης οξειδοαναγωγής είναι ένα γαλβανικό στοιχείο και μια συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια είναι ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο. Οι αντιδράσεις μπορεί να είναι δύο τύπων, δηλαδή αυθόρμητες και μη αυθόρμητες χημικές αντιδράσεις. Οι αυθόρμητες χημικές αντιδράσεις είναι αυτές που λαμβάνουν χώρα από μόνες τους χωρίς τη βοήθεια εξωτερικού ρεύματος ή διαφοράς δυναμικού.

Αντίθετα, οι μη αυθόρμητες χημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα με τη βοήθεια του εξωτερικού τροφοδοτικού. Με άλλα λόγια, στην περίπτωση των αυθόρμητων αντιδράσεων, η ενέργεια που διαθέτουν τα μόρια είναι ίση με την ενέργεια ενεργοποίησής τους. Αντίθετα, το αντίστροφο ισχύει για τη μη αυθόρμητη αντίδραση, δηλαδή η ενέργεια που διαθέτουν τα μόρια δεν είναι ίση με την ενέργεια ενεργοποίησης. Η διάταξη των διαφορετικών στοιχείων κατά σειρά του αυξανόμενου δυναμικού ηλεκτροδίου τους σε σχέση με το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου οδηγεί σε μια ηλεκτροχημική σειρά. Το διάφορο δυναμικό ηλεκτροδίου μετράται έναντι του ηλεκτροδίου υδρογόνου, του οποίου η τιμή ισούται με μηδέν.