Elektrochemische Zellen

Was sind elektrochemische Zellen?

Der Elektrochemische Zellen Es handelt sich um Geräte, in denen chemische Reaktionen passieren, wenn chemische Energie in Strom umgewandelt wird oder umgekehrt. Diese Zellen bilden das Herz der Elektrochemie, wobei die Seele der potenzielle Austausch von Elektronen ist, der spontan oder nicht spontan zwischen zwei chemischen Spezies auftreten kann.

Einer der beiden Arten oxidiert, verliert Elektronen, während das andere durch Gewinn der abgesetzten Elektronen reduziert wird. Häufig ist die reduzierte Spezies ein metallisches Kation in Lösung, das durch elektrisch elektrisch auf einer Elektrode aus demselben Metall elektrisch gewinnt. Andererseits sind die Spezies, die oxidiert.

Daniels elektrochemischer Zelldiagramm. Quelle: revhua [cc by (https: // creativecommons.Org/lizenzen/bis/3.0)]]

Zum Beispiel repräsentiert das überlegene Bild Daniels Zelle: das einfachste aller elektrochemischen Zellen. Die metallische Zinkelektrode wird oxidiert und freisetzt Zn -Kationen²⁺ zur wässrigen Umgebung. Dies tritt im ZnSO -Behälter auf₄ von links.

Rechts die Lösung, die Cuo enthält₄ Es ist reduziert und transformiert Kationen Cu²⁺ In metallischem Kupfer, das auf der Kupferelektrode abgelagert wird. Während der Entwicklung dieser Reaktion bewegt sich Elektronen einen externen Schaltkreis, der ihre Mechanismen aktiviert. Und daher Strom für den Betrieb einer Ausrüstung liefern.

Elektrochemische Zellkomponenten

Elektroden

In elektrochemischen Zellen werden erzeugt oder verbraucht. Um einen ordnungsgemäßen Elektronenfluss zu gewährleisten, müssen Materialien gute Stromleiter bestehen. Hier kommen Elektroden und externe Schaltkreise, die mit Kupferkabel, Silber oder Gold versehen sind.

Die Elektroden sind die Materialien, die die Oberfläche liefern, an der Reaktionen in elektrochemischen Zellen entwickelt werden. Es gibt zwei Arten entsprechend der Reaktion, die in ihnen auftritt:

• Anode, Elektrode, bei der Oxidation auftritt.
• Kathode, Elektrode, bei der die Reduktion auftritt.

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Die Elektroden können aus einem reagierenden Material bestehen, wie bei Daniels Zelle (Zink und Kupfer); oder aus einem inerten Material, wie es bei Platin oder Graphit der Fall ist.

Von der Anode zugewiesene Elektronen müssen die Kathode erreichen. Aber nicht durch eine Lösung, sondern ein metallisches Kabel, das beide Elektroden zu einem externen Stromkreis verbindet.

Elektrolytauflösung

Schema einer Protonen -Leitleistung Kraftstoffbatterie

Die Auflösung, die die Elektroden umgibt, spielt auch eine wichtige Rolle, da sie mit starken Elektrolyten angereichert ist. wie: kcl, Kno₃, NaCl usw. Diese Ionen bevorzugen in gewissem Maße die Migration von Elektronen von der Anode in die Kathode sowie ihre Leitung durch die Nähe der Elektroden, um mit den Spezies zu interagieren, um sie zu reduzieren.

Das Meerwasser führt zum Beispiel viel besserer Strom als destilliertes Wasser mit niedrigerer Ionenkonzentration. Deshalb haben elektrochemische Zellen eine Lösung starker Elektrolyte zwischen ihren Komponenten.

Salzbrücke

Die Ionen der Lösung beginnen, die Elektroden zu umgeben, was zu einer Polarisation der Lasten führt. Die Auflösung um die Kathode beginnt sich negativ zu laden, wenn Kationen reduziert werden. Im Fall von Daniels Zelle, Cu -Kationen²⁺ Durch die Einzahlung als metallisches Kupfer auf der Kathode. Somit gibt es ein Defizit von positiven Gebühren.

Hier interveniert die Salzbrücke, um die Lasten auszugleichen und zu verhindern, dass die Elektroden polarisiert werden. An der Seite oder dem Fach der Kathodenkationen der Salzbrücke wandert entweder k⁺ oder Zn²⁺, Die Cu ersetzen²⁺ verbraucht. In der Zwischenzeit wird von der Salzbrücke Anionen nicht migrieren₃^- In Richtung des Anodenkompartiments, um die wachsende Konzentration von Zn -Kationen zu neutralisieren²⁺.

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Die Salzbrücke besteht aus einer gesättigten Salzlösung, wobei ihre Enden von einem durchlässigen Ionengel bedeckt sind, aber wasserdicht für Wasser.

Arten von elektrochemischen Zellen und wie sie funktionieren

Die Art und Weise, wie eine elektrochemische Zelle funktioniert. Es gibt grundsätzlich zwei Arten: galvanisch (oder voltaisch) und elektrolytisch

Galvanik

Daniels Zelle ist ein Beispiel für eine galvanische Elektrochemiezelle. In ihnen treten die Reaktionen spontan auf und das Potenzial der Batterie ist positiv. Je größer das Potenzial ist, desto größer ist der Strom, der die Zelle liefert.

Die Batterien oder Batterien sind genau galvanische Zellen: Das chemische Potential zwischen den beiden Elektroden wird in elektrische Energie umgewandelt, wenn ein externer Schaltkreis eingreift, der sie verbindet. So migrieren Elektronen aus der Anode, zünden Sie die Ausrüstung an, an die die Batterie angeschlossen ist, und werden direkt an die Kathode zurückgegeben.

Elektrolyt

Elektrolytische Zellen sind solche, deren Reaktionen nicht spontan auftreten, es sei denn, sie werden durch elektrische Energie aus einer externen Quelle geliefert. Hier tritt das entgegengesetzte Phänomen auf: Elektrizität ermöglicht es zu entwickelnde chemische Reaktionen.

Eine der bekanntesten und wertvollen Reaktionen, die in dieser Art von Zellen stattfinden, ist die Elektrolyse.

Wiederaufladbare Batterien sind Beispiele für Elektrolyt- und gleichzeitig galvanischer.

Beispiele

Daniels Zelle

Daniels Zellschema

Die folgende chemische Gleichung entspricht der Reaktion von Daniels Zelle, an der Zink und Kupfer teilnehmen:

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Zn (s) + cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + cu (s)

Aber Cu -Kationen²⁺ und Zn²⁺ Sie sind nicht allein, sondern von den SO -Anionen begleitet₄^2-. Diese Zelle kann wie folgt dargestellt werden:

Zn | ZnSO₄  | | Cuso₄ | Cu

Daniels Zelle kann in jedem Labor gebaut werden und ist als Praxis in der Einführung der Elektrochemie sehr wiederkehrend. Als cu²⁺ Es wird als Cu abgelagert, die blaue Farbe der Cuso -Lösung₄ Es wird verloren gehen.

Platin und Wasserstoffzelle

Schema einer Platin und Wasserstoffzelle: 1. 2 Platinelektrode. Wasserstoffgas 3. Säurelösung 4. Hidroseal 5. Einzahlung der Gewerkschaft

Stellen Sie sich eine Zelle vor, die gasförmigen Wasserstoff verbraucht, Metallsilber produziert und gleichzeitig Strom benötigt. Dies ist die Platin- und Wasserstoffzelle, und ihre allgemeine Reaktion lautet wie folgt:

2AGCL (s) + h₂(g) → 2AG (s) + 2h⁺ + 2cl^-

Hier im Anodenfach haben wir eine inerte Platinelektrode, die in Wasser eingetaucht ist und in den Gaswasserstoff gepumpt wird. Die h₂ zu h oxidieren⁺ und liefert seine Elektronen dem milchigen Niederschlag von Agcl im Kathodenfach mit einer Metallsilberelektrode. AGCL wird bei diesem Silber reduziert und der Elektrodenteig wird zunehmen.

Diese Zelle kann als:

Pt, h₂ | H⁺ | | Cl^-, Agcl | Ag

Downs Cell

Downs -Zellschema für die Natriumchloridelektrolyse. Quelle: Pchemiker, CC BY-SA 4.0, über Wikimedia Commons

Und schließlich haben wir unter den Elektrolytzellen das geschmolzene Natriumchlorid, besser bekannt als Downs -Zelle. Hier wird Elektrizität dazu gebracht, durch die Elektroden ein Volumen geschmolzener NaCl durch die Elektroden zu reisen, und stammt so aus den folgenden Reaktionen:

2⁺(l) + 2e^- → 2na (s) (Kathode)

2cl^-(L) → Cl₂(g) + 2e^- (Anode)

2nacl (l) → 2na (s) + cl₂(g) (globale Reaktion)

Dank Elektrizität und Natriumchlorid können metallische Natrium- und Chlorgas hergestellt werden.