Ηλεκτρολυτική Κυψέλη

Ένα κύτταρο που λειτουργεί σε μη αυθόρμητες αντιδράσεις οξειδοαναγωγής ονομάζεται ηλεκτρολυτικό στοιχείο. Το ηλεκτρολυτικό στοιχείο λειτουργεί μόνο όταν εφαρμόζεται εξωτερική τάση σε αυτό. Η εξωτερική τάση που εφαρμόζεται θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την εσωτερική τάση που παράγεται από το στοιχείο, δηλαδή το Ecell.

Ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο λειτουργεί αντίθετα σε σύγκριση με ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο. Αποτελείται επίσης από δύο ηλεκτρόδια - μια άνοδο και μια κάθοδο. Εδώ, η ροή των ηλεκτρονίων είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή, από την κάθοδο στην άνοδο. Ηλεκτρολυτικά στοιχεία είναι αυτά που λειτουργούν με βάση την ηλεκτρόλυση. Ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο υφίσταται ηλεκτρόλυση και χρησιμοποιείται για τη χημική αποσύνθεση ουσιών.

Η ηλεκτρόλυση είναι η αποσύνθεση ενός ηλεκτρολύτη με τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος από το διάλυμά του. Η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης γίνεται από μια συσκευή που ονομάζεται ηλεκτρολυτική κυψέλη. Ένα στοιχείο που λειτουργεί στο σύστημα μπορεί να κατασκευαστεί περνώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω ενός χημικού συστήματος.

Στοιχεία ενός ηλεκτρολυτικού στοιχείου

Αποτελείται από τρία στοιχεία:

Άνοδος:Το αρνητικό ηλεκτρόδιο
Κάθοδος:Το θετικό ηλεκτρόδιο
Ηλεκτρολύτης:Ένα διάλυμα άλατος

Εδώ, η σύμβαση είναι αντίθετη από αυτή ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου. Η κάθοδος υφίσταται οξείδωση και η άνοδος υφίσταται αναγωγή. Και τα δύο ηλεκτρόδια βυθίζονται στον ίδιο ηλεκτρολύτη. Όταν εφαρμόζεται εξωτερική τάση, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να ρέουν από την κάθοδο προς την άνοδο. Ο ηλεκτρολύτης είναι συνήθως ένα διάλυμα άλατος. Τα θετικά ιόντα από το διάλυμα πηγαίνουν στην κάθοδο και τα αρνητικά ιόντα πηγαίνουν στην άνοδο.

Η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης

Τα κατιόντα κινούνται προς την κάθοδο και απορροφούν ηλεκτρόνια από αυτήν και γίνονται ουδέτερα άτομα. Τα ανιόντα ταξιδεύουν στην άνοδο, η οποία μεταφέρει ηλεκτρόνια για να δώσει ένα ουδέτερο άτομο. Οι χημικές αντιδράσεις συμβαίνουν λόγω των ανιόντων που χάνουν ηλεκτρόνια και των κατιόντων που αποκτούν ηλεκτρόνια στα αντίστοιχα ηλεκτρόδιά τους.

Για παράδειγμα, στην ηλεκτρόλυση του HCl, ιονίζεται ως:

HCl → H+ + Cl−

Τα ιόντα Cl– ταξιδεύουν προς την άνοδο σε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο, ενώ τα ιόντα Η+ μεταναστεύουν προς την κάθοδο. Οι ακόλουθες αντιδράσεις συμβαίνουν στα ηλεκτρόδια.

Στην κάθοδο:H+ + e– → H

Κάθε ιόν υδρογόνου παίρνει ένα ηλεκτρόνιο από την κάθοδο για να παράγει ένα άτομο υδρογόνου. Τα άτομα υδρογόνου στη συνέχεια συνδυάζονται για να παράγουν μόρια αερίου υδρογόνου, Η2.

Στην άνοδο:Cl- → Cl + e−

Μετά την απώλεια ενός ηλεκτρονίου από το ιόν χλωρίου στην άνοδο, ένα ζεύγος ατόμων χλωρίου συνδυάζονται για να παράγουν αέριο χλώριο, Cl2.

Η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα τη διάσπαση του HCl σε αέρια υδρογόνο και χλώριο.

Η συνολική αντίδραση είναι:

2HCl → H2 + Cl2

Η ηλεκτρόλυση μπορεί επίσης να συμβεί σε λιωμένα αλκαλικά αλογονίδια.

Διαφορές μεταξύ ηλεκτρολυτικού και γαλβανικού στοιχείου

Γαλβανικό στοιχείο	Ηλεκτρολυτικό στοιχείο
Μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια.	Μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια.
Αυθόρμητη	Μη αυθόρμητη
Η γέφυρα αλατιού ή το πορώδες φράγμα συνδέει τα δύο ημικελιά που είναι τοποθετημένα σε διαφορετικά δοχεία.	Και τα δύο ηλεκτρόδια βυθίζονται σε διάλυμα τετηγμένου ηλεκτρολύτη στο ίδιο δοχείο.
Άνοδος =αρνητικός; Κάθοδος =θετική.	Άνοδος =θετικός; Κάθοδος =αρνητική,
Η άνοδος οξειδώνεται, ενώ η κάθοδος ανάγεται.	Η κάθοδος οξειδώνεται, ενώ η άνοδος ανάγεται.
Τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από την άνοδο στην κάθοδο.	Τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από την κάθοδο στην άνοδο.

Προϋποθέσεις για τη λειτουργία ενός ηλεκτρολυτικού στοιχείου

Η οξείδωση συμβαίνει στο ηλεκτρόδιο, το οποίο είναι έντονα αναγωγικό, ενώ η αναγωγή συμβαίνει στο ηλεκτρόδιο, το οποίο είναι έντονα αναγωγικό.

Συνθήκες για την εκδήλωση αντίδρασης των κυττάρων

Για να ξεπεραστούν οι αλληλεπιδράσεις στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, μερικές φορές απαιτείται υπερβολικό δυναμικό ή υπέρβαση τάσης. Όταν πρόκειται για αέρια, αυτό είναι πιο συνηθισμένο φαινόμενο.
Μπορεί να υπάρχουν πολλές αντιδράσεις ηλεκτροδίων, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν πολλές ημι-αντιδράσεις, αφήνοντας δύο ή περισσότερες επιλογές για την αντίδραση του κυττάρου.
Καθώς τα αντιδρώντα μπορεί να βρίσκονται σε μη τυπικές συνθήκες, η τάση στα μισά κελιά θα μπορούσε να είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη από την τυπική τιμή.
Η ικανότητα ενός αδρανούς ηλεκτροδίου να ηλεκτρολύει εξαρτάται από τα αντιδρώντα στο διάλυμα ηλεκτρολύτη. Ωστόσο, ένα ενεργό ηλεκτρόδιο μπορεί να εκτελέσει από μόνο του την ημιαντίδραση οξείδωσης ή αναγωγής.

Χρήσεις ηλεκτρολυτικών στοιχείων

Καθαρισμός ουσιών:Αρκετά μη σιδηρούχα μέταλλα εξευγενίζονται ηλεκτρονικά και ηλεκτρονικά χρησιμοποιώντας ηλεκτρολυτικά στοιχεία. Οι ηλεκτρολυτικές κυψέλες κατασκευάζουν σχεδόν όλα τα υψηλής καθαρότητας αλουμίνιο, χαλκό, ψευδάργυρο και μόλυβδο που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία. Το αλμυρό νερό μπορεί να καθαριστεί με ηλεκτρόλυση.
Η ηλεκτρόλυση αποσυνθέτει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο και τον βωξίτη σε αλουμίνιο και ορισμένα άλλα προϊόντα.
Ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο χρησιμοποιείται για σκοπούς ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης. Η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση μετάλλων όπως ο χαλκός, ο άργυρος, το νικέλιο ή το χρώμιο γίνεται με αυτή τη μέθοδο. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί το συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα (DC).

Αν και τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία λειτουργούν μη αυθόρμητα, είναι εξίσου σημαντικά με τα ηλεκτροχημικά στοιχεία και παρέχουν ένα ευρύ φάσμα εφικτών εφαρμογών σε εργαστηριακή και βιομηχανική κλίμακα. Τέτοιες κυψέλες μπορούν να κατασκευαστούν εύκολα με την κατάλληλη επιλογή ηλεκτροδίων και ηλεκτρολυτών.

Συμπέρασμα

Τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα, αν και μη αυθόρμητα, συμβάλλουν στη βιομηχανία και στο εργαστήριο. Τα γαλβανικά και τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία έχουν αντίθετες αρχές λειτουργίας, αλλά και τα δύο είναι σημαντικά στην ηλεκτροχημεία. Οι ηλεκτρολυτικές κυψέλες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μεταλλουργικούς σκοπούς όπως η εξαγωγή και ο καθαρισμός μετάλλων από τα μεταλλεύματά τους. Ως εκ τούτου, η ηλεκτρόλυση και το ηλεκτρολυτικό στοιχείο μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε βιομηχανίες για μαζική παραγωγή χημικών ουσιών. Ανάλογα με την επιλογή των ηλεκτροδίων, μια μεγάλη ποικιλία κυψελών μπορεί να κατασκευαστεί για διαφορετικούς σκοπούς.