SÄHKÖKEMIALLISET SOLUT: KOMPONENTIT, MITEN NE TOIMIVAT, TYYPIT, ESIMERKKI - KEMIA - 2026

Sähkökemialliset kennot ovat laitteita, joissa kemialliset reaktiot kulkevat, jossa kemiallinen energia muunnetaan sähköenergiaksi tai päinvastoin. Nämä solut muodostavat sähkökemian sydämen, sielu on elektronien potentiaalinen vaihto, joka voi tapahtua spontaanisti tai ei, kahden kemiallisen lajin välillä.

Toinen kahdesta lajista hapettaa, menettää elektroneja, kun taas toinen pelkistyy, saaden siirretyt elektronit. Tavallisesti pelkistynyt laji on liuoksessa oleva metallinen kationi, joka elektronia hankkimalla päätyy sähköisesti kerrostumaan samasta metallista valmistettuun elektrodiin. Toisaalta hapettava laji on metalli, joka muuttuu metallikationeiksi.

Kaavio Danielin sähkökemialliselle kennolle. Lähde: Rehua

Esimerkiksi yllä oleva kuva edustaa Danielin solua: yksinkertaisin kaikista sähkökemiallisista kennoista. Metallinen sinkkielektrodi hapettuu vapauttaen Zn2 ⁺ -kationeja vesipitoiseen väliaineeseen. Tämä tapahtuu ZnSO ₄ -säiliössä vasemmalla.

Oikealla, sisältävä liuos CuSO ₄ pienenee, muuttaen Cu ²⁺ kationien metalliseksi kupariksi, joka on talletettu kupari elektrodi. Tämän reaktion kehityksen aikana elektronit kulkevat ulkoisen piirin läpi aktivoimalla sen mekanismit; ja siksi, tarjoamalla sähköenergiaa ryhmän toiminnalle.

Sähkökemiallisten kennojen komponentit

elektrodit

Sähkökemiallisissa kennoissa syntyy tai kulutetaan sähkövirtoja. Riittävän elektronivirtauksen varmistamiseksi on oltava materiaaleja, jotka ovat hyviä sähkönjohtajia. Tällöin elektrodit ja ulkoinen piiri tulevat sisään varustettuna kupari-, hopea- tai kultajohdoilla.

Elektrodit ovat materiaaleja, jotka muodostavat pinnan, jossa reaktiot tapahtuvat sähkökemiallisissa kennoissa. Niitä tapahtuvasta reaktiosta riippuen on kahta tyyppiä:

-Anodi, elektrodi, jossa tapahtuu hapettumista

-Katodi, elektrodi, jossa pelkistys tapahtuu

Elektrodit voidaan valmistaa reagoivasta materiaalista, kuten Danielin kennon tapauksessa (sinkki ja kupari); tai inertistä materiaalista, kuten tapahtuu, kun ne on tehty platinasta tai grafiitista.

Anodin vapauttamien elektronien on päästävä katodiin; mutta ei ratkaisun kautta, vaan metallisen kaapelin kautta, joka yhdistää molemmat elektrodit ulkoiseen piiriin.

Elektrolyyttien liukeneminen

Elektrodien ympäröivällä ratkaisulla on myös tärkeä rooli, koska se on rikastettu vahvoilla elektrolyytteillä; kuten: KCl, KNO ₃, NaCl jne. Nämä ionit suosivat jossain määrin elektronien kulkeutumista anodista katodia kohti, samoin kuin niiden johtamista elektrodien läheisyydessä vuorovaikutuksessa pelkistettävien lajien kanssa.

Esimerkiksi merivesi johtaa sähköä paljon paremmin kuin tislattu vesi, jolloin ionien pitoisuus on alhaisempi. Siksi sähkökemiallisissa kennoissa elektrolyyttien liukeneminen on voimakasta komponenttiensa keskuudessa.

Suolainen suolainen silta

Liuoksen ionit alkavat ympärillä elektrodeja aiheuttaen varausten polarisaation. Katodin ympärillä oleva ratkaisu alkaa muuttua negatiivisesti, kun kationit vähenevät. Daniel-solun tapauksessa Cu2 ⁺ -kationit, kun ne ovat saostuneet metallisena kuparina katodille. Siten positiivisista maksuista alkaa olla alijäämä.

Tällöin suolainen silta puuttuu varausten tasapainottamiseksi ja elektrodien polarisaation estämiseksi. Kohti katodipintaa tai osastoa, kationit siirtyvät suolasillasta, joko K ⁺ tai Zn ²⁺, kulutetun Cu2 ⁺ -kannan korvaamiseksi. Sillä välin NO ₃ ^- anionit kulkevat suolasillasta kohti anodiostoa, Zn ²⁺ -kationien kasvavan pitoisuuden neutraloimiseksi.

Suolasilta koostuu tyydyttyneestä suolaliuoksesta, jonka päät peitetään geelillä, joka on läpäisevä ionille, mutta vedenpitävä.

Sähkökemiallisten kennojen tyypit ja niiden toiminta

Sähkökemiallisen kennon toiminta riippuu siitä, minkä tyyppinen se on. Periaatteessa on kahta tyyppiä: galvaaninen (tai voltaattinen) ja elektrolyyttinen.

Galvaaninen

Danielin solu on esimerkki galvaanisesta sähkökemiallisesta kennosta. Niissä reaktiot tapahtuvat spontaanisti ja akun potentiaali on positiivinen; mitä suurempi potentiaali, sitä enemmän sähköä solu toimittaa.

Kennot tai paristot ovat tarkalleen galvaanisia kennoja: kahden elektrodin välinen kemiallinen potentiaali muuttuu sähköenergiaksi, kun niitä yhdistävä ulkoinen piiri puuttuu. Siten elektronit siirtyvät anodilta, sytyttävät laitteen, johon akku on kytketty, ja palautetaan suoraan katodiin.

elektrolyyttinen

Elektrolyyttisiä kennoja ovat ne, joiden reaktiot eivät tapahdu spontaanisti, paitsi jos ne saavat sähköenergiaa ulkoisesta lähteestä. Tässä tapahtuu päinvastainen ilmiö: sähkö mahdollistaa ei-spontaanien kemiallisten reaktioiden kehittymisen.

Yksi tunnetuimmista ja arvokkaimmista reaktioista, jotka tapahtuvat tämän tyyppisissä kennoissa, on elektrolyysi.

Ladattavat akut ovat esimerkkejä elektrolyyttisistä ja samalla galvaanisista kennoista: ne ladataan uudelleen kemiallisten reaktioidensa kääntämiseksi ja alkuperäisten olosuhteiden palauttamiseksi uudelleenkäyttöön.

esimerkit

Danielin solu

Seuraava kemiallinen yhtälö vastaa reaktiota Danielin solussa, jossa sinkki ja kupari osallistuvat:

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

Mutta kationit Cu ²⁺ ja Zn ²⁺ eivät ole yksin, vaan niiden seurauksena ovat anionit SO ₄ ^2-. Tämä solu voidaan esittää seuraavasti:

Zn - ZnSO ₄ - - CuSO ₄ - Cu

Danielin solu voidaan rakentaa mihin tahansa laboratorioon, ja se on hyvin toistuva käytännössä sähkökemian käyttöönotossa. Kun Cu ²⁺ kerrostuu Cu: na, CuSO _4- liuoksen sininen väri haalistuu vähitellen.

Platinumvetykenno

Kuvittele solu, joka kuluttaa vetykaasua, tuottaa metallista hopeaa ja toimittaa samalla sähköä. Tämä on platina- ja vetykenno, ja sen yleinen reaktio on seuraava:

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

Täällä anodiosastossa meillä on inertti platinaelektrodi, upotettu veteen ja pumpattu kaasumaiseen vetyyn. H ₂ hapetetaan H ⁺ ja luopuu elektroneja maitomainen AgCI sakka katodiosaston kanssa metallista hopeaa elektrodin. Tällä hopealla AgCl pienenee ja elektrodin massa kasvaa.

Tämä solu voidaan esittää seuraavasti:

Pt, H ₂ - H ⁺ - - Cl ^-, AgCI - Ag

Downs-solu

Ja lopuksi, meillä on elektrolyyttisten kennojen joukossa sulatettu natriumkloridi, joka tunnetaan paremmin Downs-soluna. Tässä käytetään sähköä siirtämään määrä sulaa NaCl: a elektrodien läpi, aiheuttaen siten seuraavat reaktiot:

2Na ⁺ (l) + 2e ^- → 2Na (s) (katodi)

2Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2e ^- (anodi)

2NaCl (l) → 2Na (s) + Cl ₂ (g) (globaali reaktio)

Siten sähkön ja natriumkloridin ansiosta voidaan valmistaa metallista natrium- ja kloorikaasua.

Viitteet

1. Whitten, Davis, Peck ja Stanley. (2008). Kemia (8. painos). CENGAGE -oppiminen.
2. Wikipedia. (2020). Sähkökemiallinen kenno. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, tohtori Anne Marie (29. tammikuuta 2020). Sähkökemialliset solut. Palautettu osoitteesta: gondo.com
4. R. Laiva. (SF). Sähkökemialliset solut. Palautettu: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Chemicool. (2017). Määritelmä Sähkökemiallinen kenno. Palautettu osoitteesta: chemicool.com
6. Patricia Jankowski. (2020). Mikä on sähkökemiallinen kenno? - Rakenne ja käyttötavat. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com
7. Alkemia (3. maaliskuuta 2011). Sähkökemialliset solut. Kemia ja tiede. Palautettu osoitteesta: laquimicaylaciencia.blogspot.com