OGNIWA ELEKTROCHEMICZNE: KOMPONENTY, SPOSÓB DZIAŁANIA, TYPY, PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Że elektrochemiczne ogniwa są urządzenia, w których przechodzą reakcje chemiczne, w których energia chemiczna zostaje przekształcona w energię elektryczną i na odwrót. Komórki te stanowią serce elektrochemii, a dusza jest potencjalną wymianą elektronów, która może nastąpić spontanicznie lub nie, między dwoma rodzajami chemicznymi.

Jeden z dwóch gatunków utlenia się, traci elektrony, podczas gdy drugi ulega redukcji, uzyskując przeniesione elektrony. Zwykle formą, która jest redukowana, jest metaliczny kation w roztworze, który poprzez zdobycie elektronów jest osadzany elektrycznie na elektrodzie wykonanej z tego samego metalu. Z drugiej strony utleniającym się związkiem jest metal, który przekształca się w kationy metali.

Schemat ogniwa elektrochemicznego Daniela. Źródło: Rehua

Na przykład powyższy obrazek przedstawia komórkę Daniela: najprostsze ze wszystkich ogniw elektrochemicznych. Metaliczna elektroda cynkowa utlenia się, uwalniając kationy Zn ²⁺ do środowiska wodnego. Dzieje się tak w pojemniku ZnSO ₄ po lewej stronie.

Po prawej stronie roztwór zawierający CuSO ₄ jest redukowany, przekształcając kationy Cu ²⁺ w metaliczną miedź, która osadza się na elektrodzie miedzianej. Podczas rozwoju tej reakcji elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny, aktywując jego mechanizmy; a tym samym dostarczanie energii elektrycznej do pracy zespołu.

Elementy ogniw elektrochemicznych

Elektrody

Prądy elektryczne są generowane lub pobierane w ogniwach elektrochemicznych. Aby zapewnić odpowiedni przepływ elektronów, muszą istnieć materiały, które są dobrymi przewodnikami prądu. Tutaj wchodzą elektrody i obwód zewnętrzny, zaopatrzony w miedziane, srebrne lub złote przewody.

Elektrody to materiały, które zapewniają powierzchnię, na której będą zachodzić reakcje w ogniwach elektrochemicznych. Istnieją dwa rodzaje w zależności od reakcji, która w nich zachodzi:

-Anoda, elektroda, w której zachodzi utlenianie

-Katoda, elektroda, w której występuje redukcja

Elektrody mogą być wykonane z reagującego materiału, jak w przypadku ogniwa Daniela (cynk i miedź); lub z obojętnego materiału, jak to się dzieje, gdy są wykonane z platyny lub grafitu.

Elektrony uwolnione przez anodę muszą dotrzeć do katody; ale nie przez roztwór, ale przez metalowy kabel, który łączy obie elektrody z zewnętrznym obwodem.

Rozpuszczanie elektrolitu

Ważną rolę odgrywa również roztwór otaczający elektrody, wzbogacony o mocne elektrolity; takie jak: KCl, KNO ₃ , NaCl itp. Jony te sprzyjają w pewnym stopniu migracji elektronów z anody w kierunku katody, a także ich przewodzeniu przez otoczenie elektrod w celu interakcji z substancjami podlegającymi redukcji.

Na przykład woda morska przewodzi prąd znacznie lepiej niż woda destylowana, przy niższym stężeniu jonów. Dlatego ogniwa elektrochemiczne charakteryzują się silnym rozpuszczaniem elektrolitu wśród swoich elementów.

Most solny

Jony roztworu zaczynają otaczać elektrody powodując polaryzację ładunków. Roztwór wokół katody zaczyna się ładować ujemnie, gdy kationy są redukowane; w przypadku ogniwa Daniela kationy Cu ²⁺ osadzają się jako metaliczna miedź na katodzie. W ten sposób zaczyna pojawiać się deficyt ładunków dodatnich.

W tym miejscu interweniuje mostek solny, aby zrównoważyć ładunki i zapobiec polaryzacji elektrod. W kierunku boku lub przedziału katody, kationy mostka solnego będą migrować, albo K ^+, albo Zn ²⁺ , wypierając zużyty Cu ²⁺ . W międzyczasie aniony NO ₃ ^- będą migrować z mostka solnego do przedziału anodowego, neutralizując rosnące stężenie kationów Zn ²⁺ .

Mostek solny składa się z nasyconego roztworu soli, którego końce są pokryte żelem przepuszczalnym dla jonów, ale nieprzepuszczalnym dla wody.

Rodzaje ogniw elektrochemicznych i ich działanie

Sposób działania ogniwa elektrochemicznego zależy od jego typu. Zasadniczo istnieją dwa typy: galwaniczny (lub galwaniczny) i elektrolityczny.

Galwaniczny

Przykładem galwanicznego ogniwa elektrochemicznego jest ogniwo Daniela. W nich reakcje zachodzą spontanicznie, a potencjał baterii jest dodatni; im większy potencjał, tym więcej energii elektrycznej dostarczy ogniwo.

Ogniwa lub baterie to właśnie ogniwa galwaniczne: potencjał chemiczny między dwiema elektrodami jest przekształcany w energię elektryczną, gdy interweniuje obwód zewnętrzny, który je łączy. W ten sposób elektrony migrują z anody, zapalają sprzęt, do którego podłączona jest bateria, i wracają bezpośrednio do katody.

Elektrolityczny

Ogniwa elektrolityczne to takie, których reakcje nie zachodzą spontanicznie, chyba że są zasilane energią elektryczną z zewnętrznego źródła. Tutaj zachodzi zjawisko odwrotne: elektryczność pozwala na niespontaniczne reakcje chemiczne.

Jedną z najbardziej znanych i najcenniejszych reakcji zachodzących w tego typu ogniwie jest elektroliza.

Akumulatory to przykłady ogniw elektrolitycznych i galwanicznych: są one ładowane w celu odwrócenia ich reakcji chemicznych i przywrócenia początkowych warunków ponownego użycia.

Przykłady

Cela Daniela

Następujące równanie chemiczne odpowiada reakcji w komórce Daniela, w której uczestniczą cynk i miedź:

Zn (s) + Cu ²⁺ (aq) → Zn ²⁺ (aq) + Cu (s)

Ale kationy Cu ²⁺ i Zn ²⁺ nie występują same, ale towarzyszą im aniony SO ₄ ^2- . Tę komórkę można przedstawić w następujący sposób:

Zn - ZnSO ₄ - - CuSO ₄ - Cu

Komórkę Daniela można zbudować w każdym laboratorium, co jest bardzo powtarzalną praktyką we wprowadzaniu elektrochemii. Ponieważ Cu ²⁺ osadza się jako Cu, niebieski kolor roztworu CuSO ₄ będzie stopniowo blaknąć.

Platynowe ogniwo wodorowe

Wyobraź sobie ogniwo, które zużywa wodór, produkuje metaliczne srebro i jednocześnie dostarcza energię elektryczną. To jest ogniwo platynowe i wodorowe, a jego ogólna reakcja jest następująca:

2AgCl (s) + H ₂ (g) → 2Ag (s) + 2H ⁺ + 2Cl ^-

Tutaj, w komorze anodowej, mamy obojętną elektrodę platynową, zanurzoną w wodzie i wpompowaną w gazowy wodór. H ₂ jest utleniany do H ⁺ i oddaje swoje elektrony do mlecznego osadu AgCl w komorze katodowej z metaliczną srebrną elektrodą. Na tym srebrze AgCl zostanie zredukowane, a masa elektrody wzrośnie.

Tę komórkę można przedstawić jako:

Pt, H ₂ - H ⁺ - - Cl ^- , AgCl - Ag

Komórka Downs

I wreszcie, wśród ogniw elektrolitycznych mamy ogniwo ze stopionego chlorku sodu, lepiej znane jako ogniwo Downsa. Tutaj energia elektryczna jest wykorzystywana do przemieszczania objętości stopionego NaCl przez elektrody, powodując w ten sposób następujące reakcje:

2Na ⁺ (l) + 2e ^- → 2Na (s) (katoda)

2Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2e ^- (anoda)

2NaCl (l) → 2Na (s) + Cl ₂ (g) (reakcja globalna)

W ten sposób dzięki elektryczności i chlorkowi sodu można przygotować metaliczny sód i chlor gazowy.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Wikipedia. (2020). Ogniwo elektrochemiczne. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (29 stycznia 2020). Ogniwa elektrochemiczne. Odzyskany z: thinkco.com
4. R. Ship. (sf). Ogniwa elektrochemiczne. Odzyskane z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Chemicool. (2017). Definicja ogniwa elektrochemicznego. Źródło: chemicool.com
6. Patricia Jankowski. (2020). Co to jest ogniwo elektrochemiczne? - Struktura i zastosowania. Badanie. Odzyskany z: study.com
7. Alchemia (3 marca 2011). Ogniwa elektrochemiczne. Chemia i nauka. Odzyskane z: laquimicaylaciencia.blogspot.com