Ogniwa elektrolityczne

elektrochemia

Elektrochemia to gałąź chemii, która opisuje i mierzy związek między energią elektryczną a zmianą chemiczną. Reakcje elektrochemiczne polegają na przemieszczaniu się elektronów z jednego gatunku do drugiego. Jeśli reakcja jest spontaniczna, może to spowodować wygenerowanie prądu. Jeśli reakcja nie jest spontaniczna, może być napędzana przez zastosowanie prądu.

W elektrochemii kluczową reakcją jest reakcja utleniania-redukcji, zwana reakcją redoks. Reakcja redoks składa się z dwóch półreakcji; utlenianie, w którym substancja znana jako środek redukujący traci elektrony, oraz redukcja, w której substancja znana jako środek utleniający zyskuje elektrony. Reakcje redoks zawsze zachodzą parami i zmieniają stopnie utlenienia atomów w zaangażowanych cząsteczkach. Łatwym sposobem na zapamiętanie tej zależności jest pneumatyczne OIL-RIG: Oxidation Is Losing – Reduction Is Gaining.

Ogniwa elektrochemiczne

Ogniwo elektrochemiczne służy do pomiaru lub indukowania reakcji elektrochemicznych. Składa się z kilku elementów: komory zawierającej roztwór reakcyjny, dwóch elektrod przewodzących, przewodzącego roztworu elektrolitu i obwodu zewnętrznego. Istnieją dwa rodzaje ogniw elektrochemicznych. Jednym z nich jest ogniwo elektrolityczne, które wykorzystuje energię elektryczną do napędzania niespontanicznej reakcji. W tego typu ogniwach energia elektryczna jest dostarczana z zewnętrznego źródła zasilania.

Drugim typem ogniw jest ogniwo galwaniczne, które wykorzystuje spontaniczną reakcję elektrochemiczną do wytwarzania energii elektrycznej. Dwie elektrody nazywane są anodą i katodą i są połączone zewnętrznym obwodem. Komora reakcyjna wypełniona jest elektrolitem, który sprzyja przechodzeniu jonów między elektrodami. W ogniwie galwanicznym mostek solny uzupełnia obwód, umożliwiając przepływ jonów między roztworami elektrolitycznymi zawierającymi elektrody. W ogniwie elektrolitycznym nie ma mostka solnego, ponieważ elektrody są zwykle w tym samym roztworze elektrolitycznym.

Reakcja redukcji zachodzi na katodzie, natomiast reakcja utleniania zachodzi na anodzie. Pamięta się to za pomocą mnemonika "Red Cat", co oznacza, że czerwonezapalenie występuje w kocimhode.

Ogniwa elektrolityczne

Ogniwa elektrolityczne mają zazwyczaj jedną komorę reakcyjną, w której znajduje się roztwór elektrolitu. Elektrolit jest zwykle roztworem wodnym zawierającym jony lub rozpuszczone sole. Jony w elektrolicie sprzyjają ruchowi jonów i elektronów przez roztwór.

Po przyłożeniu napięcia zewnętrznego jony w elektrolicie są przyciągane do elektrody o przeciwnym ładunku. W tym miejscu zachodzą dwie półreakcje. Anoda traci elektrony podczas utleniania, podczas gdy katoda zyskuje elektrony podczas redukcji.

Galwanizacja to proces, w którym wykorzystuje się ogniwo elektrolityczne. Galwanizacja to proces, w którym jeden metal osadza się na powierzchni elektrody, zwykle inny metal. Brytyjski naukowiec Michael Faraday, od którego pochodzi nazwa stałej Faradaya, zademonstrował molowy związek między jonem naładowanym galwanicznie a prądem elektrycznym. Patrząc na specyficzną półreakcję dla srebra:

Ag⁺ + 1e^- → Ag

Potrzeba jednego mola elektronów, zasilanego przez prąd zewnętrzny, aby zredukować jeden mol kationów srebra do stałego srebra. Dlatego stechiometria reakcji połówkowej może określić ilość materiału galwanicznego użytego do znanej ilości elektronów. Przypomnijmy, że elektryczność nie jest mierzona na podstawie moli elektronów, ale raczej w kulombach, nazwanych na cześć francuskiego inżyniera Charlesa-Augustina de Coulomba. Jeden kulomb to ilość energii elektrycznej przepływającej przez obwód elektryczny o natężeniu 1 ampera prądu w odstępie 1 sekundy, która opiera się na zasadzie ładunku elementarnego lub ładunku, jaki przenosi pojedynczy elektron. Odkrycie Faradaya może zatem powiązać prąd elektryczny z liczbą moli platerowanych przez kation galwaniczny (galwanicznie):

F = eN_A

F jest stałą Faradaya, e jest ładunkiem elementarnym wyrażonym w kulombach, a_{N A} jest liczbą Avogadro. Dlatego stała Faradaya jest wyrażona jako liczba kulombów na mol i ma wartość 96485 kulombów na mol. Jak możemy określić liczbę moli elektronów przenoszonych na anodę na podstawie prądu? Korzystając z ładunku elektrycznego Q i definicji kullomba:

Ładunek elektryczny jest równy prądowi w amperach (I) pomnożonemu przez czas w sekundach, w którym prąd mógł płynąć. Dzieląc Q przez stałą Faradaya, która ma jednostki kulombów na mol:

Równanie to pozwala nam obliczyć liczbę moli elektronów, a tym samym określić, jak bardzo kation galwaniczny został zredukowany.

W galwanotechnice metal składa się z płytek anodowych lub pokryw, katody w cienkiej warstwie metalu. Ilość metalu platerowanego zależy od ilości przyłożonego prądu, a także od liczby moli dostępnego kationu galwanicznego. Zewnętrzne źródło zasilania, takie jak bateria, indukuje przepływ elektronów z anody do katody oraz z dodatniego zacisku do ujemnego bieguna akumulatora.

Rozważmy na przykład ogniwo elektrolityczne z elektrodą miedzianą, mosiężnym kluczem działającym jako druga elektroda i wodnym roztworem siarczanu miedzi jako elektrolitem. Tutaj miedź z elektrolitu i elektroda miedziana są platerowane na mosiężnym kluczu.

Aby miedź metaliczna mogła zostać osadzona na mosiężnym kluczu, stała elektroda miedziana musi zostać utleniona w celu wytworzenia jonów miedzi. Następnie kationy miedzi zarówno z elektrody, jak i elektrolitu są redukowane z roztworu, tworząc stałą miedź na mosiężnym kluczu.

Cu²⁺ + 2e^- → Cu_(s)

Elektrony do reakcji są odbierane z ujemnego bieguna akumulatora. Tak więc reakcja redukcji zachodzi przy mosiężnym kluczu, podczas gdy reakcja utleniania zachodzi na elektrodzie miedzianej. Stężony i zakwaszony roztwór siarczanu miedzi zwiększa rozpuszczalność; Dlatego im wyższe stężenie roztworu, tym niższa rezystancja i wyższy prąd. Z kolei wyższy prąd pozwala na większe nałożenie jonów miedzi na mosiężny klucz

Niektóre metale mają większą tendencję do utraty elektronów niż inne. Standardowy potencjał elektrody (E°) substancji jest miarą tendencji substancji do utraty elektronów. Metal o najwyższym potencjale redukcyjnym ma największą tendencję do utraty elektronów; W związku z tym jest najpierw galwanizowany.

Odwołania

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemia i reaktywność chemiczna. Belmont, Kalifornia: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). Chemia: molekularna natura materii i zmiana. Boston, Massachusetts: McGraw Hill.

Reakcje elektrochemiczne są niezbędne dla wielu procesów zachodzących w technologii i ludzkim ciele i polegają na przenoszeniu elektronów z jednego rodzaju substancji chemicznej na drugi. Reakcje te nazywane są reakcjami redukcji-utleniania lub reakcjami redoks.

Kiedy gatunek traci elektrony, ulega utlenieniu, a my mówimy, że jest utleniony. Kiedy jakiś gatunek zyskuje elektrony, oznacza to, że uległ redukcji, a my mówimy, że jest zredukowany. W elektrochemicznym ogniwie galwanicznym spontanicznie zachodzą reakcje redoks, w wyniku których powstaje energia elektryczna. Jednak w ogniwie elektrolitycznym stosowana jest energia elektryczna, która powoduje zachodzące reakcje redoks.

Ogniwo elektrolityczne składa się z roztworu reakcyjnego zwanego elektrolitem, który zawiera wszelkie związki chemiczne, które są utleniane lub redukowane, a także jony potrzebne do umożliwienia przepływu elektronów. Ogniwo elektrolityczne posiada dwie metalowe elektrody, które są zanurzone w roztworze elektrolitycznym. Obwód zewnętrzny łączy dwie elektrody, co uzupełnia obwód i umożliwia nam podanie napięcia lub prądu.

Przyłożony prąd lub napięcie jest tym, co powoduje zajście reakcji elektrochemicznej. Półreakcja utleniania zachodzi na anodzie, a półreakcja redukcji zachodzi na katodzie. Aby pomóc Ci je rozróżnić, pamiętaj o wyrażeniu "czerwony kot", które oznacza "redukcję na katodzie".

Ale jak określić, która elektroda jest która? Możemy użyć standardowego potencjału redukcyjnego elektrod metalowych, który jest miarą tendencji metalu do utraty elektronów. Im wyższy potencjał redukcyjny, tym większe prawdopodobieństwo, że metal zostanie zredukowany.

Powiedzmy, że umieszczamy elektrodę srebrną i elektrodę miedzianą w ogniwie elektrolitycznym i przykładamy prąd. Elektroda srebrna ma wyższy potencjał redukcyjny, więc jest zredukowana i działa jak katoda. Elektroda miedziana ma mniejszy potencjał redukcyjny, więc jest utleniona i pełni rolę anody.

Jednym z zastosowań ogniw elektrolitycznych jest galwanizacja, która jest reakcją, w której jeden metal jest utleniany, a następnie redukowany na powierzchnię innego metalu. Ponieważ anoda jest metalem wykonującym powlekanie, w naszym przykładzie srebra i miedzi srebrna elektroda jest pokryta cienką warstwą miedzi.

W tym laboratorium zmontujesz ogniwo elektrolityczne i przeprowadzisz proces galwanizacji, platerując mosiężny klucz miedzią.