Ηλεκτροχημεία – Σημαντικά Θέματα

Η μελέτη του ηλεκτρισμού και του πώς επηρεάζει τις χημικές αντιδράσεις είναι γνωστή ως ηλεκτροχημεία. Στην ηλεκτροχημεία, ο ηλεκτρισμός παράγεται από τη διέλευση ηλεκτρονίων από το ένα στοιχείο στο άλλο σε μια αντίδραση «οξειδοαναγωγής» ή οξείδωσης-αναγωγής.

Η Ηλεκτροχημεία ασχολείται με τη σχέση μεταξύ του ηλεκτρικού δυναμικού και της αναγνωρίσιμης χημικής αλλαγής, όπου το ηλεκτρικό δυναμικό προκύπτει από μια συγκεκριμένη χημική αλλαγή ή το αντίστροφο. Η κίνηση των ηλεκτρονίων οδηγεί αυτές τις αντιδράσεις.

Όταν μια χημική αντίδραση δημιουργεί ένα ηλεκτρικό δυναμικό ή επηρεάζεται από μια διαφορά δυναμικού, ονομάζεται «ηλεκτροχημική αντίδραση». Αυτό συμβαίνει επειδή οι χημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν την άμεση μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ των μορίων. Αντίθετα, οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν την κίνηση των ηλεκτρονίων έμμεσα μέσω μιας ηλεκτρονικά αγώγιμης φάσης προς ηλεκτρόδια που διαχωρίζονται από ιοντικά είδη σε ένα διάλυμα.

Θα διερευνήσουμε τις βασικές αρχές της ηλεκτροχημείας καθώς και σημαντικά θέματα στην ηλεκτροχημεία στις επόμενες ενότητες του άρθρου. Η σημασία του θέματος της ηλεκτροχημείας σε διάφορες εισαγωγικές εξετάσεις είναι σημαντική και πρέπει να διαβαστεί διεξοδικά. Λάβετε υπόψη αυτά τα βασικά σημεία κατά τη μελέτη της ηλεκτροχημείας.

• Ορισμένες χημικές αντιδράσεις μπορούν να δημιουργήσουν "ηλεκτρισμό".
• Η "Ηλεκτρική ενέργεια" μπορεί να προκαλέσει συγκεκριμένες αντιδράσεις που δεν θα συνέβαιναν διαφορετικά.
• Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις αφορούν και τους δύο αυτούς παράγοντες.

Ηλεκτροχημεία – σημαντικά θέματα

1. Αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής
2. Ηλεκτροχημικά κύτταρα
   1. Ηλεκτρολυτικά κύτταρα
   2. Γαλβανικά κύτταρα

Αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής

Οποιαδήποτε ηλεκτροχημική διαδικασία που περιλαμβάνει αλλαγή της κατάστασης οξείδωσης ενός μορίου ή ιόντος λόγω της μεταφοράς ηλεκτρονίων προς ή από το μόριο ή το ιόν είναι γνωστή ως αντιδράσεις «αναγωγής-οξείδωσης» ή «οξειδοαναγωγής».

Η αλλαγή στην κατάσταση οξείδωσης ενός ατόμου, μορίου ή ιόντος, που προκαλείται σε μια ηλεκτροχημική αντίδραση, περιγράφεται ως οξείδωση και αναγωγή.

Η «οξείδωση» συμβαίνει όταν ένα άτομο, ένα μόριο ή ένα ιόν χάνει ηλεκτρόνια και η κατάσταση οξείδωσης του ατόμου, του μορίου ή του ιόντος αυξάνεται. Η «αναγωγή» συμβαίνει όταν ένα άτομο, μόριο ή ιόν αποκτά ηλεκτρόνια και η κατάσταση οξείδωσης του ατόμου, μόριο ή ιόν, μειώνεται.

Αυτό μπορεί να απομνημονευθεί με τη βοήθεια μιας μνημονικής συσκευής:«OIL RIG», δηλαδή, η οξείδωση είναι απώλεια ηλεκτρονίων και η μείωση είναι κέρδος ηλεκτρονίων.

Σε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής, η οξείδωση και η αναγωγή συμβαίνουν πάντα ταυτόχρονα. Επομένως, ένα άτομο, μόριο ή ιόν που υφίσταται οξείδωση (ή χάνει ηλεκτρόνια) ονομάζεται αναγωγικός παράγοντας. Αντίθετα, ένα άτομο, μόριο ή ιόν που υφίσταται αναγωγή (ή κέρδος ηλεκτρονίων) ονομάζεται οξειδωτικός παράγοντας.

Για παράδειγμα, σε μια αντίδραση οξειδοαναγωγής:όπου ένα άτομο ψευδαργύρου χάνει δύο ηλεκτρόνια όταν αντιδρά με 2Η+, και ως αποτέλεσμα λαμβάνονται Zn2+ και H2.

Ο αριθμός οξείδωσης του Zn αυξάνεται από 0 σε 2. Επομένως, λέμε ότι το είδος υφίσταται οξείδωση. Από την άλλη πλευρά, ο αριθμός οξείδωσης του Η+ μειώνεται από +1 σε 0. Επομένως, λέμε ότι το είδος υφίσταται μείωση.

Στην περίπτωση της ακόλουθης αντίδρασης:

CO3 2- + 2H+ → CO2 + H2O

Κανένα από τα στοιχεία δεν υφίσταται οξείδωση ή αναγωγή, δηλ., κάθε στοιχείο έχει τον ίδιο αριθμό οξείδωσης στην πλευρά του αντιδρώντος και στην πλευρά του προϊόντος. Επομένως, η αντίδραση δεν θεωρείται αντίδραση οξειδοαναγωγής.

Ηλεκτροχημικά κύτταρα

Μια συσκευή που μπορεί να χρησιμοποιήσει χημικές αντιδράσεις για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή να χρησιμοποιήσει «ηλεκτρισμό» για να πραγματοποιήσει συγκεκριμένες αντιδράσεις που δεν θα συνέβαιναν διαφορετικά είναι γνωστή ως ηλεκτροχημική κυψέλη.

Τα ηλεκτροχημικά στοιχεία που χρησιμοποιούν χημικές αντιδράσεις για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι γνωστά ως «Γαλβανικά κύτταρα» ή «Βολταϊκά Κυψέλες». Τα ηλεκτροχημικά στοιχεία που χρησιμοποιούν «ηλεκτρισμό» για να πραγματοποιήσουν συγκεκριμένες αντιδράσεις μη αυθόρμητα είναι γνωστά ως ηλεκτρολυτικά κύτταρα.

Ηλεκτρολυτικά κύτταρα

Αυτή η συσκευή χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό για να προκαλέσει μη αυθόρμητες χημικές αντιδράσεις. Για παράδειγμα, στην εφαρμογή του ηλεκτρισμού, το νερό μπορεί να ηλεκτρολυθεί στα χημικά του συστατικά, το υδρογόνο και το οξυγόνο.

Ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο αποτελείται από τρία συστατικά:έναν ηλεκτρολύτη και δύο ηλεκτρόδια. Τα δύο ηλεκτρόδια, η άνοδος και η κάθοδος, διαχωρίζονται με ιοντικά είδη σε ένα διάλυμα (τον ηλεκτρολύτη).

Όταν εφαρμόζεται εξωτερική τάση, τα ηλεκτρόδια αποκτούν σωρευτικό φορτίο και τα ιόντα στον ηλεκτρολύτη με αντίθετα φορτία έλκονται στα αντίστοιχα ηλεκτρόδια τους. Δηλαδή, ένα θετικά φορτισμένο ιόν θα έλκεται σε ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο και ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν θα έλκεται σε ένα θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο.

Οι αντιδράσεις μεταφοράς φορτίου λαμβάνουν χώρα στα ηλεκτρόδια. Με αυτόν τον τρόπο, η εξωτερική τάση που εφαρμόζεται βοηθά στην αυθόρμητη αποσύνθεση των μορίων στα χημικά τους συστατικά, κάτι που δεν θα συνέβαινε διαφορετικά.

Γαλβανικά κύτταρα

Τα ηλεκτροχημικά στοιχεία που χρησιμοποιούν χημικές αντιδράσεις για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι γνωστά ως «Γαλβανικά κύτταρα» ή «Βολταϊκά Κυψέλες».

Σκεφτείτε ένα διάλυμα νιτρικού αργύρου στο οποίο είναι βυθισμένο ένα σύρμα χαλκού. Τα ιόντα χαλκού αρχίζουν να περνούν στο διάλυμα νιτρικού αργύρου και τα ιόντα αργύρου συσσωρεύονται στο χάλκινο σύρμα.

Ως αποτέλεσμα, το διάλυμα νιτρικού αργύρου γίνεται αργά μπλε λόγω της παρουσίας ιόντων χαλκού στο διάλυμα. Σε αυτή την περίπτωση, το σύρμα χαλκού υφίσταται οξείδωση και το διάλυμα νιτρικού αργύρου μειώνεται.

Ένα γαλβανικό κύτταρο μπορεί να κατασκευαστεί για να κάνει την ακόλουθη αντίδραση να συμβεί μη αυθόρμητα. Η αντίδραση οξειδοαναγωγής μπορεί να χωριστεί σε δύο μισά κύτταρα:το μισό κύτταρο οξείδωσης και το μισό κύτταρο αναγωγής.

Στα γαλβανικά κύτταρα, αυτά τα μισά στοιχεία διαχωρίζονται μέσω ενός εξωτερικού καλωδίου. Στην περίπτωση που συζητήθηκε παραπάνω, το χάλκινο σύρμα που υφίσταται οξείδωση λειτουργεί ως άνοδος. Η άνοδος θα συνδεθεί με ένα βολτόμετρο συνδεδεμένο με ένα ηλεκτρόδιο αργύρου, όπου λαμβάνει χώρα η αναγωγή.

Το ηλεκτρόδιο αργύρου επομένως θα λειτουργεί ως «κάθοδος». Και τα δύο αυτά ηλεκτρόδια θα βυθιστούν σε χωριστά διαλύματα 1Μ νιτρικού χαλκού και νιτρικού αργύρου αντίστοιχα.

Στο ημικύτταρο οξείδωσης, τα ιόντα Cu χάνουν ηλεκτρόνια και περνούν στο διάλυμα ως ιόντα Cu+2         . Στο ημικύτταρο αναγωγής, τα ιόντα Ag μειώνονται σε Ag(s). Μια γέφυρα αλατιού που συνδέει και τα δύο ημιστοιχεία διατηρεί την ισορροπία φόρτισης μεταξύ των μισών κυψελών.

Συμπέρασμα 

Η μελέτη του ηλεκτρισμού και του πώς επηρεάζει τις χημικές αντιδράσεις είναι γνωστή ως ηλεκτροχημεία. Με απλά λόγια, η ηλεκτροχημεία μελετά τη σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και χημικών αντιδράσεων. Ασχολείται με τη σχέση μεταξύ του ηλεκτρικού δυναμικού και της αναγνωρίσιμης χημικής αλλαγής, όπου το ηλεκτρικό δυναμικό προκύπτει από μια συγκεκριμένη χημική αλλαγή ή το αντίστροφο. Η κίνηση των ηλεκτρονίων οδηγεί αυτές τις αντιδράσεις.