ЕЛЕКТРОХІМІЧНІ КЛІТИНИ: КОМПОНЕНТИ, СПОСІБ ЇХ РОБОТИ, ТИПИ, ПРИКЛАД - ХІМІЯ - 2025

Ці електрохімічні елементи представляють собою пристрій , в яких хімічні реакції проходять , де хімічна енергія перетворюється в електричну енергію або навпаки. Ці клітини складають серце електрохімії, а душа - це обмін потенціалами електронів, який може відбуватися, спонтанно чи ні, між двома хімічними видами.

Один з двох видів окислюється, втрачає електрони, а інший зменшується, набуваючи перенесені електрони. Зазвичай вид, який зменшується, - це катіон металів у розчині, який, отримуючи електрони, закінчується електричним осадженням на електроді, виготовленому з того ж металу. З іншого боку, вид, який окисляється, - це метал, перетворюючись на катіони металів.

Діаграма для електрохімічної комірки від Даніеля. Джерело: Rehua

Наприклад, зображення вище зображує клітину Даніеля: найпростішу з усіх електрохімічних клітин. Металевий цинковий електрод окислюється, вивільняючи катіони Zn ²⁺ у водне середовище. Це відбувається в контейнері ZnSO ₄ зліва.

Праворуч розчин, що містить CuSO ₄ , зменшується, перетворюючи катіони Cu ²⁺ у металевий мідь, який осідає на мідному електроді. Під час розвитку цієї реакції електрони проходять через зовнішній ланцюг, активуючи його механізми; а отже, забезпечення електричною енергією для роботи команди.

Компоненти електрохімічних клітин

Електроди

Електричні струми генеруються або споживаються в електрохімічних камерах. Для забезпечення достатнього потоку електронів повинні бути матеріали, які є хорошими провідниками електрики. Сюди потрапляють електроди та зовнішній ланцюг, забезпечені мідною, срібною або золотою проводкою.

Електроди - це матеріали, які забезпечують поверхню, де будуть відбуватися реакції в електрохімічних осередках. Існує два типи залежно від реакції, яка відбувається в них:

-Анод, електрод, де відбувається окислення

-Катод, електрод, де відбувається зменшення

Електроди можуть бути виготовлені з реагуючого матеріалу, як у випадку з клітиною Даніеля (цинк і мідь); або з інертного матеріалу, як це відбувається, коли вони виготовлені з платини або графіту.

Електрони, що виділяються анодом, повинні досягати катода; але не через розчин, а через металевий кабель, який приєднує обидва електроди до зовнішнього ланцюга.

Розчинення електролітів

Розчин, що оточує електроди, також відіграє важливу роль, оскільки він збагачений сильними електролітами; наприклад: KCl, KNO ₃ , NaCl тощо. Ці іони певною мірою сприяють міграції електронів від анода до катода, а також їхній провідності поблизу електродів для взаємодії з видами, які мають бути скорочені.

Наприклад, морська вода проводить електрику набагато краще, ніж дистильована вода, з меншою концентрацією іонів. Ось чому електрохімічні клітини мають сильне розчинення електролітів серед своїх компонентів.

Сольовий міст

Іони розчину починають оточувати електроди, викликаючи поляризацію зарядів. Розчин навколо катода починає негативно заряджатися, оскільки катіони зменшуються; у випадку з клітиною Даніеля катіони Cu ²⁺ при їх нанесенні на катоді металевої міді. Таким чином, починає дефіцит позитивних зарядів.

Саме тут сольовий міст втручається, щоб збалансувати заряди і не допустити поляризації електродів. Назустріч стороні катоду або відсіки катіони будуть мігрувати з сольового мосту, або K ^+, або Zn ²⁺ , щоб витіснити споживаний Cu ²⁺ . Тим часом NO ₃ ^- аніони будуть мігрувати з сольового мосту у напрямку до анодного відділення, щоб нейтралізувати зростаючу концентрацію катіонів Zn ²⁺ .

Соляний міст складається з насиченого розчину солей, його кінці покриті гелем, проникним для іонів, але непроникним для води.

Типи електрохімічних клітин і спосіб їх роботи

Як працює електрохімічна клітина, залежить від її типу. В основному існує два типи: гальванічний (або вольтаїчний) та електролітичний.

Гальванічний

Клітина Даніеля - приклад гальванічної електрохімічної комірки. У них реакції виникають спонтанно і потенціал акумулятора позитивний; чим більший потенціал, тим більше електроенергії буде постачати клітина.

Клітини або батареї - це точно гальванічні комірки: хімічний потенціал між двома електродами перетворюється на електричну енергію, коли втручається зовнішній ланцюг, який їх з'єднує. Таким чином, електрони мігрують з анода, запалюють обладнання, до якого підключений акумулятор, і повертаються безпосередньо на катод.

Електролітичний

Електролітичні клітини - це ті, реакції яких не відбуваються спонтанно, якщо тільки вони не постачаються електричною енергією із зовнішнього джерела. Тут відбувається протилежне явище: електрика дозволяє розвивати неспонтанні хімічні реакції.

Однією з найвідоміших і найцінніших реакцій, що відбувається в межах цього типу клітин, є електроліз.

Акумуляторні батареї - приклади електролітичних і одночасно гальванічних комірок: вони заряджаються, щоб змінити хімічні реакції та відновити початкові умови повторного використання.

Приклади

Камера Даніеля

Наступне хімічне рівняння відповідає реакції в клітині Даніеля, де беруть участь цинк і мідь:

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

Але катіони Cu ²⁺ і Zn ²⁺ не поодинці, а супроводжуються аніонами SO ₄ ^2- . Ця клітина може бути представлена ​​наступним чином:

Zn - ZnSO ₄ - - CuSO ₄ - Cu

Осередок Даніеля може бути побудований у будь-якій лабораторії, будучи дуже повторюваним, як практика впровадження електрохімії. Оскільки Cu ²⁺ відкладається у вигляді Cu, синій колір розчину CuSO ₄ поступово в’яне.

Клітина водню платини

Уявіть собі, що клітина, яка споживає газ водню, виробляє металеве срібло і одночасно постачає електроенергію. Це клітина платини та водню, і її загальна реакція така:

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

Тут, в анодному відділенні, є інертний платиновий електрод, занурений у воду і закачується в газоподібний водень. Н ₂ окислюється до Н ⁺ і віддає свої електрони до осаду молочного AgCl у катодному відсіку з металевим срібним електродом. На цьому сріблі AgCl зменшиться, а маса електрода зросте.

Ця комірка може бути представлена ​​як:

Pt, H ₂ - H ⁺ - - Cl ^- , AgCl - Ag

Даунс клітина

І нарешті, серед електролітичних клітин у нас є сплавлений хлорид натрію, більш відомий як клітина Даунс. Тут електрику використовують для переміщення об’єму розплавленого NaCl через електроди, викликаючи таким чином такі реакції:

2Na ⁺ (l) + 2e ^- → 2Na (s) (катод)

2Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2e ^- (анод)

2NaCl (l) → 2Na (s) + Cl ₂ (g) (глобальна реакція)

Таким чином, завдяки електроенергії та хлориду натрію можна отримати металевий газ натрію та хлору.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Вікіпедія. (2020). Електрохімічна клітина. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (29 січня 2020 р.). Електрохімічні клітини. Відновлено з: thinkco.com
4. Р. Корабель. (sf). Електрохімічні клітини. Відновлено: гіперфізика.фі-астр.гсу.еду
5. Хіміколь. (2017). Визначення електрохімічної комірки. Відновлено з: chemicool.com
6. Патриція Янковська. (2020). Що таке електрохімічна клітина? - Структура та використання Вивчення. Відновлено з: study.com
7. Алхімія (3 березня 2011 р.). Електрохімічні клітини. Хімія та наука. Відновлено з: laquimicaylaciencia.blogspot.com