ELEKTROKEMISKA CELLER: KOMPONENTER, HUR DE FUNGERAR, TYPER, EXEMPEL - KEMI - 2026

De elektrokemiska cellerna är enheter där kemiska reaktioner passerar där den kemiska energin omvandlas till elektrisk energi eller vice versa. Dessa celler utgör hjärtat av elektrokemi, där själen är det potentiella utbytet av elektroner som spontant eller inte kan uppstå mellan två kemiska arter.

En av de två arterna oxiderar, förlorar elektroner, medan den andra reduceras och får de överförda elektronerna. Vanligtvis är arten som reduceras en metallisk katjon i lösning, som genom att få elektroner hamnar elektriskt på en elektrod tillverkad av samma metall. Å andra sidan är arten som oxiderar en metall som förvandlas till metallkationer.

Diagram för en elektrokemisk cell från Daniel. Källa: Rehua

Till exempel representerar bilden ovan Daniels cell: den enklaste av alla elektrokemiska celler. Den metalliska zinkelektroden oxiderar och släpper Zn 2 ⁺ -katjoner i det vattenhaltiga mediet. Detta sker i ZnSO _4- behållaren till vänster.

Till höger, lösningen innehållande CuSO ₄ reduceras, omvandla de Cu ²⁺ katjoner till metallisk koppar som avsätts på kopparelektrod. Under utvecklingen av denna reaktion reser elektronerna genom en extern krets som aktiverar dess mekanismer; och därför tillhandahålla elektrisk energi för driften av ett team.

Komponenter i elektrokemiska celler

elektroder

Elektriska strömmar genereras eller konsumeras i elektrokemiska celler. För att säkerställa ett tillräckligt flöde av elektroner måste det finnas material som är goda elektriska ledare. Det är här elektroderna och den externa kretsen kommer in, försedda med koppar-, silver- eller guldledningar.

Elektroderna är de material som ger ytan där reaktionerna kommer att ske i de elektrokemiska cellerna. Det finns två typer beroende på reaktionen som inträffar i dem:

-Nod, elektrod där oxidation sker

-Katod, elektrod där reduktion sker

Elektroderna kan vara tillverkade av ett reagerande material, som i fallet med Daniels cell (zink och koppar); eller av ett inert material, som det händer när de är gjorda av platina eller grafit.

Elektronerna som frigörs av anoden måste nå katoden; men inte genom en lösning utan genom en metallkabel som förbinder båda elektroderna till en extern krets.

Elektrolytupplösning

Lösningen som omger elektroderna spelar också en viktig roll, eftersom den berikas med starka elektrolyter; såsom: KCl, KNO ₃ , NaCl, etc. Dessa joner gynnar i viss utsträckning migrationen av elektroner från anoden mot katoden, liksom deras ledning genom elektrodernas närhet för att interagera med arten som ska reduceras.

Havsvatten leder till exempel el mycket bättre än destillerat vatten, med en lägre koncentration av joner. Det är därför elektrokemiska celler har stark elektrolytupplösning bland sina komponenter.

Salt saltbron

Lösningens joner börjar omge elektroderna vilket orsakar en polarisering av laddningarna. Lösningen runt katoden börjar bli negativt laddad, eftersom katjonerna minskar; i fallet med Daniel-cellen, Cu2 ⁺ -katjonerna när de avsattes som metallisk koppar på katoden. Således börjar det finnas ett underskott på positiva avgifter.

Det är här saltbroen ingriper för att balansera laddningarna och förhindra att elektroderna polariseras. Mot katodens sida eller fack kommer salterna av saltbron att migrera, antingen K ⁺ eller Zn ²⁺ , för att ersätta den förbrukade Cu ²⁺ . Under tiden kommer NO ₃ ^- anjoner att migrera från saltbron mot anodfacket för att neutralisera den ökande koncentrationen av Zn 2 ⁺ -katjoner .

Saltbron består av en mättad saltlösning, med dess ändar täckta av en gel som är permeabel för joner, men ogenomtränglig för vatten.

Typer av elektrokemiska celler och hur de fungerar

Hur en elektrokemisk cell fungerar beror på vilken typ det är. Det finns i princip två typer: galvanisk (eller voltaisk) och elektrolytisk.

Galvanisk

Daniels cell är ett exempel på en galvanisk elektrokemisk cell. Hos dem inträffar reaktionerna spontant och batteriets potential är positiv; ju större potential, desto mer el kommer cellen att leverera.

Celler eller batterier är exakt galvaniska celler: den kemiska potentialen mellan de två elektroderna omvandlas till elektrisk energi när en extern krets ingriper som ansluter dem. Således migrerar elektronerna från anoden, tänder utrustningen till vilken batteriet är anslutet och återförs direkt till katoden.

elektrolytisk

Elektrolytiska celler är de vars reaktioner inte sker spontant, såvida de inte levereras med elektrisk energi från en extern källa. Här inträffar det motsatta fenomenet: elektricitet tillåter icke-spontana kemiska reaktioner att utvecklas.

En av de mest kända och mest värdefulla reaktionerna som sker inom denna typ av cell är elektrolys.

Uppladdningsbara batterier är exempel på elektrolytiska celler och samtidigt galvaniska celler: de laddas för att vända sina kemiska reaktioner och återupprätta de initiala villkoren för återanvändning.

exempel

Daniel's cell

Följande kemiska ekvation motsvarar reaktionen i Daniels cell där zink och koppar deltar:

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

Men katjonerna Cu ²⁺ och Zn ²⁺ är inte ensamma utan åtföljs av anjonerna SO ₄ ^2- . Denna cell kan representeras på följande sätt:

Zn - ZnSO ₄ - - CuSO ₄ - Cu

Daniels cell kan byggas i vilket laboratorium som helst och är mycket återkommande som en praxis i införandet av elektrokemi. Som Cu ²⁺ avsätts som Cu, den blå färgen på CuSO ₄ lösningen kommer successivt blekna.

Platinum vätecell

Föreställ dig en cell som konsumerar vätgas, producerar metalliskt silver och som samtidigt levererar el. Detta är platina- och vätecellen och dess allmänna reaktion är som följer:

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

Här i anodfacket har vi en inert platinaelektrod, nedsänkt i vatten och pumpas i gasformigt väte. H ₂ oxideras till H ⁺ och ger upp dess elektroner till mjölkiga AgCl fällningen i katodkammaren med ett metalliskt silverelektrod. På detta silver kommer AgCl att reduceras och massan på elektroden ökar.

Denna cell kan representeras som:

Pt, H ₂ - H ⁺ - - Cl ^- , AgCl - Ag

Nedgångar cellen

Och slutligen, bland de elektrolytiska cellerna har vi den av smält natriumklorid, bättre känd som Downs-cellen. Här används elektricitet för att flytta en volym smält NaCl genom elektroderna, vilket orsakar följande reaktioner:

2Na ⁺ (l) + 2e ^- → 2Na (s) (katod)

2cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2e ^- (anod)

2NaCl (l) → 2Na (s) + Cl ₂ (g) (global reaktion)

Tack vare el och natriumklorid kan sålunda metalliskt natrium- och klorgas framställas.

referenser

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi (8: e upplagan). CENGAGE Learning.
2. Wikipedia. (2020). Elektrokemisk cell. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (29 januari 2020). Elektrokemiska celler. Återställd från: thoughtco.com
4. R. Ship. (Sf). Elektrokemiska celler. Återställdes från: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Chemicool. (2017). Definition av elektrokemisk cell. Återställd från: chemicool.com
6. Patricia Jankowski. (2020). Vad är en elektrokemisk cell? - Struktur och användning. Studie. Återställd från: study.com
7. Alkemi (3 mars 2011). Elektrokemiska celler. Kemi och vetenskap. Återställd från: laquimicaylaciencia.blogspot.com