Электрохимия, электрохимические элементы, гальванические элементы или гальванические элементы, важность и структура

bystudin | 2 октября, 2021 | Химия

Электрохимия — это отрасль, которая заинтересована в изучении обменного преобразования химической энергии и электрической энергии посредством окисления и восстановления. Электрохимия означает химию электронов, потому что электроны передаются из одной точки в другую. Реакции в электрохимии называются окислительно-восстановительными реакциями. реакции происходят в оборудовании, называемом электрохимическими ячейками, в котором электрическая энергия преобразуется в химическую, и наоборот.

Электрохимические ячейки

Электрохимические ячейки, такие как электролитическая ячейка (требуется внешний источник электрического тока) и гальваническая ячейка (не требуется внешний источник электроэнергии), любая ячейка состоит из электролита и электродов, электролиты (проводники) — это вещества, проводящие электричество , электроды — это провода или пластины, которые используется для проведения электрического тока в электролите.

Типы электролитов:

Электронные металлические проводники: материалы, которые проводят электрический ток засчет миграции его электронов. Они не сопровождаются переносом «атомов» материи, всех металлов, таких как Cu, Zn, Ni и сплавы.
Жидкие проводники: материалы, которые проводят электрический ток засчет миграции его ионов. Они сопровождаются переносом «ионов» вещества.

Типы жидких проводников:

Электролит из чистых веществ, таких как расплавленные соли, например, расплав NaCl.
Электролит растворов, таких как раствор кислот , оснований или солей, раствор «NaCl», раствор HCl и раствор NaOH.

Типы электродов:

Инертный электрод не разделяет в окислительно- восстановительный процессе, который имеет место в электролизере, такие как платина и углерод, Это позволяет электроны , чтобы выйти или войти в камеру.
Металлический электрод — это металл, погруженный в электролит, содержащий его ионы, где металл растворяется в электролите, образуя положительные ионы, такие как Ag / AgNO ₃и Cu / CuSO Он участвует в окислительно-восстановительном процессе, который происходит в электрохимических ячейках. .

Окислительно-восстановительные реакции (окислительно-восстановительные реакции) — это тип химических реакций, в которых электроны передаются от одного реагирующего вещества к другому в одной и той же химической реакции.

Гальванический элемент или гальванический элемент

Эксперимент представляет собой процесс окислительно-восстановительного восстановления: окуните Zn-лист в синий раствор сульфата меди, вы заметите красный металлический медный осадок на поверхности цинкового листа, в то время как цинк-металл растворяется в растворе. Если это продолжалось в течение длительного периода, синий цвет раствора сульфата меди уменьшается и становится бесцветным, а растворение (Zn) увеличивается.

Zn + Cu ²⁺ → Zn ²⁺ + Cu ⁰

Мы видим, что эта реакция состоит из двух полуреакций:

Реакция окисления : в этой реакции атом цинка (Zn) теряет два электрона и превращается в ион цинка (Zn ²⁺ ), растворяется и растворяется в растворе.

Zn ⁰ → Zn ²⁺ + 2e ^—

Реакция восстановления : в этой реакции ион меди (Cu ²⁺ ) в растворе электролита принимает два электрона (поступающих из Zn-полуячейки) и превращается в металлическую медь (Cu ⁰ ), осажденную на поверхности Zn-листа.

Cu ²⁺ + 2e ^— → Cu ⁰

Гальванические элементы — это тип электрических элементов, из которых мы можем получить электрический ток в результате спонтанной (окислительно-восстановительной) реакции, гальванические элементы — это системы, в которых химическая (тепловая) энергия преобразуется в электрическую энергию в отсутствие внешнего электрического тока. .

Название Гальвани связано с системой электрических ячеек для получения электрического тока в результате спонтанной (окислительно-восстановительной) реакции. Электролитические ячейки — это электрические ячейки, в которых энергия из внешнего источника преобразуется в химическую энергию, используемую через не- спонтанная (окислительно-восстановительная) реакция.

Daniel Cell является примером гальванического элемента, в котором электрический ток получается в результате спонтанной (окислительно-восстановительной) реакции. При соединении двух электродов (Zn и Cu проволокой) происходит самопроизвольная реакция, Разница электрических потенциалов двух половинных ячеек измеряется прибором, называемым вольтметром .

Анод ( окисление на цинковом электроде): Zn ⁰ → Zn ²⁺ + 2e ^—

Катод ( реакция восстановления на медном электроде): Cu ²⁺ + 2e ^— → Cu ⁰

Суммарная реакция, протекающая в ячейке: Zn ⁰ + Cu ²⁺ → Zn ²⁺ + Cu ^0.

Схема ячейки: Zn ⁰ / Zn ²⁺ // Cu ²⁺ / Cu ⁰

Электродвижущая сила = Восстановительный потенциал катода — Восстановительный потенциал анода

Электрические лампы загорается , показывая , что электрический ток проходит через провода за счет потока электронов , как реакция продолжается, цинка половина клеток будет насыщен Zn ²⁺ ионов, медь половина клеток будет насыщен SO ₄^-2 ионов , Чтобы решить эту проблему, используется пористая U-образная трубка, которая называется солевым мостиком.

Солевой мостик в гальванической ячейке представляет собой стеклянную U-образную трубку, заполненную сильным электролитическим раствором, таким как сульфат натрия (Na ₂ SO ₄ ), его ионы не реагируют с ионами, присутствующими в двух полуячейках, а также с электродные материалы гальванических элементов.

Солевой мостик косвенно связывает растворы двух элементов. Он используется для нейтрализации избытка положительных ионов в полуячейке анода и отрицательных ионов в полуячейке катода в результате реакций окисления и восстановления и предотвращения образования разность потенциалов в растворах двух полуэлементов и образует разность потенциалов между двумя электродами в двух растворах, поэтому ток будет продолжать течь.

В гальваническом элементе, аноде (-) и катоде (+), прохождение электрического тока между двумя полуэлементами прекращается, когда:

Металлический цинк в анодной половине ячейки полностью растворяется.
Концентрация Cu ²⁺в катодной полуячейке снижена в меньшей степени.
Отсутствие солевого мостика приводит к остановке реакций окисления и восстановления и, следовательно, прекращению протекания электрического тока во внешнем проводе, соединяющем две полуячейки.
Окуните Zn в CuSO ₄или окуните Cu в ZnSO ₄ .

Схема гальванического элемента (символическое выражение) — это самый простой способ выразить компоненты двух полуэлементов в гальваническом элементе и происходящую в нем реакцию. Он выражается следующим образом:

Левая сторона представляет собой полуэлемент на аноде, на котором происходит реакция окисления, и разделенный между двумя состояниями окисления изогнутой линией.
Правая сторона представляет собой половину ячейки на катоде, в которой происходит реакция восстановления,и разделенная между двумя состояниями восстановления изогнутой линией.
Разделение между двумя сторонами полуячеек двумя изогнутыми параллельными линиями // в случае использования солевого мостика или вертикальной пунктирной линией в случае использования пористого барьера.

Пример гальванического элемента, в котором произошли две следующие реакции:

Fe ⁰ → Fe ²⁺ + 2e ^—

2 Ag ⁺ + 2e ^— → 2 Ag ⁰

Fe ⁰ / Fe ²⁺ // 2 Ag ⁺ / 2 Ag ⁰

В гальванической ячейке анод является отрицательным электродом, а катод — положительным электродом, потому что анод теряет электроны, поэтому он является источником электронов, а катод — положительным электродом из-за того, что он получает электроны.

Отсутствие солевого мостика приводит к прекращению прохождения электрического тока в гальваническом элементе, потому что окисление-восстановление прекращается, поэтому электрический ток в проводящем металлическом проводе, соединяющем два полуячейка, прекращается.

По мере работы ячейки Дэниела концентрация ионов Cu ²⁺ уменьшается, а масса медного электрода увеличивается, поскольку ионы Cu ²⁺ уменьшаются за счет получения электронов, возникающих в результате процесса окисления с образованием Cu, которая осаждается на медном электроде.

Важно, чтобы ионы меди не контактировали с цинковым (Zn) электродом в ячейке Дэниела, потому что окисление и восстановление происходят на поверхности цинкового электрода, поэтому электроны не протекают в электрической цепи и, следовательно, не генерируется электрический ток .

По мере работы ячейки Даниэля масса Zn-электрода уменьшается, а концентрация ионов Zn ²⁺ увеличивается, поскольку Zn в ячейке Даниэля окисляется до ионов Zn ²⁺ , которые растворяются в растворе, пластина Z inc является анодом, а медь пластина является катодом, потому что окислительный потенциал Zn выше, чем окислительный потенциал Cu, поэтому он легко окисляется.

Солевой мостик используется в гальваническом элементе, поскольку он косвенно соединяется между растворами двух полуэлементов и нейтрализует избыток как положительных, так и отрицательных ионов, чья высокая концентрация в растворе двух полуэлементов. , которые будут соединены, чтобы сформировать гальванический элемент, должны отличаться по своей способности к окислению и восстановлению, чтобы иметь место спонтанная реакция между двумя полуячейками.