ЕЛЕКТРОХИМИЧНИ КЛЕТКИ: КОМПОНЕНТИ, КАК РАБОТЯТ, ТИПОВЕ, ПРИМЕР - ХИМИЯ - 2025

На електрохимични клетки са устройства, при които химични реакции преминават където химическата енергия се преобразува в електрическа енергия или обратното. Тези клетки съставляват сърцето на електрохимията, като душата е потенциалният обмен на електрони, който може да се случи, спонтанно или не, между два химически вида.

Единият от двата вида се окислява, губи електрони, докато другият се редуцира, получавайки прехвърлените електрони. Обикновено видът, който се редуцира, е метален катион в разтвор, който с натрупването на електрони в крайна сметка се отлага електрически върху електрод, направен от същия метал. От друга страна, видът, който се окислява, е метал, превръщащ се в метални катиони.

Диаграма за електрохимична клетка от Даниел. Източник: Rehua

Например изображението по-горе представлява клетката на Даниел: най-простата от всички електрохимични клетки. Металният цинков електрод се окислява, отделяйки катиони Zn ²⁺ във водната среда. Това се случва в контейнера ZnSO ₄ отляво.

Вдясно разтворът, съдържащ CuSO _4, се намалява, превръщайки катионите Cu ²⁺ в метална мед, която се отлага върху медния електрод. По време на развитието на тази реакция, електроните пътуват през външна верига, активираща нейните механизми; и следователно, осигуряване на електрическа енергия за работата на екип.

Компоненти на електрохимичните клетки

Електроди

В електрохимичните клетки се генерират или консумират електрически токове. За да се осигури адекватен поток на електрони, трябва да има материали, които са добри проводници на електричество. Тук влизат електродите и външната верига, снабдени с медно, сребърно или златно окабеляване.

Електродите са материалите, които осигуряват повърхността, където ще протичат реакциите в електрохимичните клетки. Има два вида в зависимост от реакцията, която се проявява в тях:

-Анод, електрод, където се получава окисляване

-Катод, електрод, където настъпва редукция

Електродите могат да бъдат направени от реагиращ материал, както в случая с клетката на Даниел (цинк и мед); или от инертен материал, както се случва, когато са направени от платина или графит.

Електроните, освободени от анода, трябва да достигнат до катода; но не чрез решение, а чрез метален кабел, който свързва двата електрода към външна верига.

Разтваряне на електролити

Разтворът, който заобикаля електродите, също играе важна роля, тъй като е обогатен със силни електролити; като: KCl, KNO ₃, NaCl и т.н. Тези йони благоприятстват до известна степен миграцията на електрони от анода към катода, както и провеждането им през близостта на електродите, за да взаимодействат с видовете, които трябва да бъдат намалени.

Морската вода например провежда електричеството много по-добре от дестилираната вода с по-ниска концентрация на йони. Ето защо електрохимичните клетки имат силно разтваряне на електролити сред своите компоненти.

Солен мост

Йоните на разтвора започват да обграждат електродите, причинявайки поляризация на зарядите. Разтворът около катода започва да става отрицателно зареден, тъй като катионите се намаляват; в случая на клетката Даниел, катионите Cu ^2+, когато се отлагат като метална мед върху катода. Така започва дефицит на положителни заряди.

Това е мястото, където соленият мост се намесва, за да балансира зарядите и да предотврати поляризирането на електродите. Към страната или отделението на катода катионите на солевия мост ще мигрират или K ^+, или Zn ²⁺, за да изместват консумирания Cu ²⁺. Междувременно NO ₃ ^- анионите ще мигрират от солевия мост към анодното отделение, за да неутрализират нарастващата концентрация на Zn2 ⁺ катиони.

Солният мост е съставен от наситен разтвор на соли, като краищата му са покрити с гел, който е пропусклив за йони, но непромокаем за вода.

Видове електрохимични клетки и как работят

Как работи електрохимичната клетка, зависи от какъв тип е. Съществуват основно два вида: галванични (или волтови) и електролитни.

галванически

Клетката на Даниел е пример за галванична електрохимична клетка. При тях реакциите възникват спонтанно и потенциалът на батерията е положителен; колкото по-голям е потенциалът, толкова повече електричество ще доставя клетката.

Клетките или батериите са именно галванични клетки: химическият потенциал между двата електрода се трансформира в електрическа енергия, когато се намеси външна верига, която ги свързва. Така електроните мигрират от анода, запалват оборудването, към което е свързана батерията, и се връщат директно на катода.

Електролитен

Електролитичните клетки са тези, чиито реакции не протичат спонтанно, освен ако не са снабдени с електрическа енергия от външен източник. Тук се случва обратното явление: електричеството позволява да се развият не-спонтанни химични реакции.

Една от най-известните и най-ценни реакции, която се провежда в рамките на този тип клетки, е електролизата.

Акумулаторните батерии са примери за електролитни и галванични клетки: те се презареждат, за да обърнат химичните си реакции и да установят първоначалните условия за повторна употреба.

Примери

Килията на Даниел

Следното химическо уравнение съответства на реакцията в клетката на Даниел, където участват цинк и мед:

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

Но катионите Cu ²⁺ и Zn ²⁺ не са сами, а са придружени от анионите SO ₄ ^2-. Тази клетка може да бъде представена, както следва:

Zn - ZnSO ₄ - - CuSO ₄ - Cu

Клетката на Даниел може да бъде изградена във всяка лаборатория, тъй като е много повтаряща се като практика при въвеждането на електрохимия. Тъй като Cu ²⁺ се депозира като Cu, синият цвят на разтвора CuSO ₄ постепенно ще избледнее.

Платинова водородна клетка

Представете си клетка, която консумира водороден газ, произвежда метално сребро и в същото време доставя електричество. Това е клетката от платина и водород и нейната обща реакция е следната:

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

Тук в анодното отделение имаме инертен платинен електрод, потопен във вода и помпан в газообразен водород. Н ₂ се окислява до H ⁺ и дава своите електрони за да се утаи млечен AgCl в катодното отделение с метално сребро електрод. Върху това сребро AgCl ще бъде намален и масата на електрода ще се увеличи.

Тази клетка може да бъде представена като:

Pt, Н ₂ - Н ⁺ - - Cl ^-, AgCl - Ag

Даун клетка

И накрая, сред електролитичните клетки имаме тази на кондензиран натриев хлорид, по-известна като клетката на Даунс. Тук електричеството се използва за придвижване на обем от разтопен NaCl през електродите, като по този начин предизвиква следните реакции:

2Na ⁺ (l) + 2e ^- → 2Na (s) (катод)

2Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2e ^- (анод)

2NaCl (л) → 2Na (и) + Cl ₂ (г) (глобална реакция)

По този начин, благодарение на електричеството и натриевия хлорид, могат да се получат метални газове натрий и хлор.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
2. Wikipedia. (2020). Електрохимична клетка. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (29 януари 2020 г.). Електрохимични клетки. Възстановено от: thinkco.com
4. Р. Кораб. (SF). Електрохимични клетки. Възстановени от: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Chemicool. (2017). Определение на електрохимична клетка. Възстановено от: chemicool.com
6. Патрисия Янковски. (2020). Какво е електрохимична клетка? - Структура и употреба Изследване. Възстановено от: study.com
7. алхимия (3 март 2011 г.). Електрохимични клетки. Химия и наука. Възстановени от: laquimicaylaciencia.blogspot.com