Ηλεκτροχημικές αντιδράσεις κυττάρων

Ο όρος «οξείδωση» αναφέρεται στην απώλεια ηλεκτρονίων από τις επιφάνειες ενός ατόμου, ιόντος ή μορίου σε μια ηλεκτροχημική αντίδραση, η οποία ορίζεται ως εξής:Το πολικό αντίθετο της οξείδωσης είναι η αναγωγή, η οποία ορίζεται ως η ανάκτηση ηλεκτρονίων που έχουν χαθεί. Σε αυτές τις αντιδράσεις, οι αριθμοί οξείδωσης αλλάζουν ανάλογα με την κατάσταση. Μια ισορροπημένη ημιαντίδραση μπορεί να χρησιμεύσει ως παράδειγμα αυτού. Αυτή η αντίδραση είναι μη αυθόρμητη, που σημαίνει ότι απαιτείται ηλεκτρισμός για να επιτραπεί η πραγματοποίηση της αντίδρασης, σε αντίθεση με μια αυθόρμητη αντίδραση, η οποία δημιουργεί ηλεκτρισμό από μόνη της.

Σε αυτή την ενότητα, θα βρείτε ένα παράδειγμα πειράματος με NaCl, ένα λιωμένο άλας χλωριούχου νατρίου. Το ΑΛΑΤΙ διασπάται στα ιόντα του όταν τήκεται, παράγοντας Na+ (κατιόν) και Cl- (ανιόν) .

Η αντίδραση που προκύπτει ως αποτέλεσμα είναι:Na+ + e- —> Na

Η άνοδος είναι το άλλο ηλεκτρόδιο που παρέχει ηλεκτρόνια στην κάθοδο. Δεν υπάρχει αμφιβολία για την οξείδωση σε αυτή την περίπτωση και η μισή εξίσωση είναι η εξής:Η αντίδραση 2Cl -> Cl2 + 2e-

Όταν χρησιμοποιούνται υδατικά διαλύματα στο πείραμα, γίνεται σαφές ότι υπάρχουν και άλλες διεργασίες. Η πιο απλή αντίδραση οξειδοαναγωγής για αυτό είναι η εξής:

Στην κάθοδο, η αντίδραση είναι 2H2O + 2e- -> H2 + 2OH- (Το νερό μειώνεται.)

Στην άνοδο, παράγεται 2H2O -> 4H+ + O2 + 4e- (το νερό οξειδώνεται.)

Ηλεκτροχημικό στοιχείο

Ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο είναι μια συσκευή που μπορεί είτε να παράγει ηλεκτρική ενέργεια από τις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μέσα σε αυτό είτε να χρησιμοποιήσει την ηλεκτρική ενέργεια που του παρέχεται για να διευκολύνει τις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μέσα σε αυτό. Ουσιαστικά, αυτές οι συσκευές έχουν την ικανότητα να μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια ή το αντίστροφο. Για παράδειγμα, ένα κανονικό στοιχείο 1,5 volt, το οποίο χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία πολλών ηλεκτρικών συσκευών, όπως τηλεχειριστήρια τηλεόρασης και ρολόγια, είναι ένα δημοφιλές παράδειγμα ηλεκτροχημικής κυψέλης.

Οι γαλβανικές κυψέλες και οι βολταϊκές κυψέλες είναι δύο όροι που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν κύτταρα που είναι ικανά να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα ως αποτέλεσμα χημικών γεγονότων που συμβαίνουν μέσα τους. Τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα, από την άλλη πλευρά, είναι εκείνα τα κύτταρα που, όταν διοχετεύεται ηλεκτρικό ρεύμα μέσω αυτών, προκαλούν χημικές αντιδράσεις να συμβούν μέσα τους.

Τύπος ηλεκτροχημικού στοιχείου

Βολταϊκά κύτταρα

Τα βολταϊκά κύτταρα είναι συσκευές που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από την ενέργεια που απελευθερώνεται από μια αυθόρμητη αντίδραση οξειδοαναγωγής σε δύο ημιστοιχεία. Τα ηλεκτροχημικά κύτταρα αποτελούνται από δύο αγώγιμα ηλεκτρόδια, τα οποία αναφέρονται ως άνοδος και κάθοδος, αντίστοιχα. Το ηλεκτρόδιο όπου λαμβάνει χώρα η οξείδωση είναι η άνοδος. Η αναγωγή λαμβάνει χώρα στο ηλεκτρόδιο της καθόδου. Τα ηλεκτρόδια μπορούν να κατασκευαστούν από οποιοδήποτε υλικό που είναι κατάλληλα αγώγιμο, συμπεριλαμβανομένων μετάλλων, ημιαγωγών, γραφίτη, ακόμη και αγώγιμων πολυμερών, μεταξύ άλλων υλικών. Είναι ο ηλεκτρολύτης που βρίσκεται στο χώρο μεταξύ αυτών των ηλεκτροδίων και περιέχει ιόντα που μπορούν να ρέουν ελεύθερα.

Κατά την παραγωγή του βολταϊκού στοιχείου, χρησιμοποιούνται δύο διακριτά μεταλλικά ηλεκτρόδια, το καθένα βυθισμένο σε διάλυμα ηλεκτρολύτη. Η άνοδος θα υποβληθεί σε οξείδωση, ενώ η κάθοδος θα υποβληθεί σε αναγωγή. Κατά τη διαδικασία της οξείδωσης, το μέταλλο της ανόδου θα μεταβεί από μια κατάσταση οξείδωσης 0 (σε στερεή μορφή) σε μια κατάσταση θετικής οξείδωσης και τελικά θα γίνει ιόν. Όταν το μεταλλικό ιόν στο διάλυμα έρθει σε επαφή με την κάθοδο, θα δεχτεί ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια από την κάθοδο και η κατάσταση οξείδωσης του ιόντος θα μειωθεί στο μηδέν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός στερεού μετάλλου που εναποτίθεται στην κάθοδο. Πρέπει να δημιουργηθεί ηλεκτρισμός μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων για να επιτρέπεται η διέλευση ηλεκτρονίων που αφήνουν το μέταλλο της ανόδου και ρέουν μέσω της σύνδεσης με τα ιόντα στην επιφάνεια της καθόδου. Ηλεκτρική σύνδεση Είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί αυτή η ροή ηλεκτρονίων για να δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εργασίες, όπως η περιστροφή ενός κινητήρα ή το άναμμα μιας λάμπας.

Ηλεκτρολυτικά κύτταρα

Η ηλεκτρόλυση είναι μια μέθοδος πρόκλησης μιας χημικής αντίδρασης που λαμβάνει χώρα σε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο. Για να γίνει αυτό χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια. Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα για να περάσει μέσα από μια ιοντική ουσία που είτε είναι λιωμένη είτε πλήρως διαλυμένη, συμβαίνουν χημικές αντιδράσεις στα ηλεκτρόδια και τα υλικά διαχωρίζονται. Η ηλεκτρόλυση είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό υλικών το ένα από το άλλο.

Η ηλεκτρόλυση μπορεί να εκληφθεί ως η λειτουργία ενός μη αυθόρμητου γαλβανικού στοιχείου σε ορισμένες περιπτώσεις. Η αντίδραση μπορεί να είναι ή να μην είναι αυθόρμητη, ανάλογα με το πόσο εύκολα τα στοιχεία δίνουν ηλεκτρόνια (οξείδωση) και πόσο ενεργειακά ωφέλιμο είναι για τα στοιχεία να δέχονται ηλεκτρόνια (αναγωγή). Παρέχοντας εξωτερικά την ενέργεια που απαιτείται για να ξεπεραστεί το ενεργειακό φράγμα στην αυθόρμητη αντίδραση, η επιθυμητή αντίδραση «επιτρέπεται» να προχωρήσει υπό συγκεκριμένες συνθήκες, αυξάνοντας έτσι τις πιθανότητες επιτυχίας της.

Τα ακόλουθα είναι τα κύρια συστατικά που είναι απαραίτητα για την ηλεκτρόλυση:

Ένας ηλεκτρολύτης είναι ένα υλικό που περιέχει ελεύθερα ιόντα που είναι ικανά να μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα. Εάν τα ιόντα δεν είναι κινητά, καθώς βρίσκονται σε ένα στερεό άλας, η ηλεκτρόλυση δεν θα είναι δυνατή.

Παροχή συνεχούς ρεύματος (DC):παρέχει την ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή ή την εκκένωση των ιόντων στον ηλεκτρολύτη τροφοδοτώντας τους με συνεχές ρεύμα. Τα ηλεκτρόνια είναι υπεύθυνα για τη μετάδοση του ηλεκτρικού ρεύματος στο εξωτερικό κύκλωμα.

Τα ηλεκτρόδια αποτελούνται από δύο μέρη:έναν ηλεκτρικό αγωγό που χρησιμεύει ως φυσική διεπαφή μεταξύ του ηλεκτρικού κυκλώματος που παρέχει την ενέργεια και του ηλεκτρολύτη. και έναν ηλεκτρολύτη.

Αντίδραση βολταϊκού στοιχείου

Το βολταϊκό στοιχείο λειτουργεί με την προϋπόθεση μιας ταυτόχρονης αντίδρασης οξείδωσης και αναγωγής, γνωστής ως αντίδραση οξειδοαναγωγής. Αυτή η αντίδραση οξειδοαναγωγής αποτελείται από δύο ημι-αντιδράσεις που αλληλοαποκλείονται. Τυπικά ζεύγη οξειδοαναγωγής βολταϊκών κυψελών είναι ο χαλκός και ο ψευδάργυρος, τα οποία αντιπροσωπεύονται στις αντιδράσεις μισών κυττάρων ως εξής:

Ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου (άνοδος):Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e–

Χρησιμοποιώντας χαλκό ως ηλεκτρόδιο (κάθοδος), η εξίσωση είναι Cu2+(aq) + 2 e– → Cu (s)

Χρησιμοποιούνται ξεχωριστά ποτήρια ζέσεως για την κατασκευή των μεμονωμένων κυττάρων. Τα μεταλλικά ηλεκτρόδια βυθίζονται σε διαλύματα ηλεκτρολυτών για να παρέχουν μια διαδρομή ρεύματος. Μια γέφυρα αλατιού συνδέει κάθε μισό στοιχείο με το άλλο, επιτρέποντας την ελεύθερη μεταφορά ιοντικών ειδών μεταξύ των δύο κυψελών Όταν ολοκληρωθεί το κύκλωμα, το ρεύμα ρέει και το στοιχείο «παράγει» ηλεκτρική ενέργεια.

Χαλκός γρήγορα οξειδωμένος ψευδάργυρος. η άνοδος είναι ψευδάργυρος και η κάθοδος είναι χαλκός. Τα ανιόντα στα διαλύματα είναι θειικά άλατα των αντίστοιχων μετάλλων. Όταν χρησιμοποιείται μια ηλεκτρικά αγώγιμη συσκευή για τη σύνδεση των ηλεκτροδίων, η ηλεκτροχημική αντίδραση συμβαίνει ως εξής:Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

Με κάθε ηλεκτρόνιο που παράγεται από την οξείδωση του ηλεκτροδίου ψευδαργύρου, δύο ηλεκτρόνια μεταφέρονται μέσω του σύρματος στην κάθοδο χαλκού (Zn2+ + 2e-), (Cu2++ 2e-). Ο Cu σχηματίζεται όταν τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε διάλυμα Cu2+, με αποτέλεσμα την αναγωγή του χαλκού σε μεταλλικό χαλκό. Θα χρειαστεί να χρησιμοποιηθεί το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου κατά τη διάρκεια της αντίδρασης και το μέταλλο θα συστέλλεται σε μέγεθος, ενώ το ηλεκτρόδιο χαλκού θα διαστέλλεται σε μέγεθος λόγω της εναπόθεσης Cu που δημιουργείται. Είναι ζωτικής σημασίας να υπάρχει μια γέφυρα αλατιού προκειμένου το φορτίο να συνεχίσει να ρέει μέσα από το κελί. Απαιτείται μια γέφυρα άλατος επειδή, χωρίς μια, τα ηλεκτρόνια που παράγονται στην άνοδο θα συσσωρεύονταν στην κάθοδο, προκαλώντας τη διακοπή της αντίδρασης.

Μια κοινή εφαρμογή για φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Έχουν σχεδιαστεί για να παράγουν συνεχές ρεύμα από την ίδια τη φύση τους. Μια μπαταρία αποτελείται από μια συλλογή βολταϊκών στοιχείων που συνδέονται σε σειρά. Όσον αφορά τις μπαταρίες, οι άνοδοι (οι οποίες είναι κατασκευασμένες από μόλυβδο) και οι κάθοδοι (οι οποίες είναι κατασκευασμένες από διοξείδιο του μολύβδου) είναι τα πιο σημαντικά συστατικά.

Συμπέρασμα

Σε μια ηλεκτροχημική αντίδραση, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μεταξύ ενός στερεού ηλεκτροδίου και ενός υλικού, όπως ένας ηλεκτρολύτης, μέσω ενός αγωγού ηλεκτρισμού. Αυτή η ροή προκαλεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει στα ηλεκτρόδια, επιτρέποντας στην αντίδραση είτε να απελευθερώσει είτε να απορροφήσει θερμότητα ανάλογα με την κατάσταση. Υπάρχει ένας κανόνας που διέπει τις αντιδράσεις που συμβαίνουν σε κάθε ηλεκτρόδιο, και αυτός ο κανόνας μπορεί να βρεθεί εδώ. Κάθε φορά που χρησιμοποιείται ένα ενεργό κατιόν μετάλλου στην κάθοδο, το νερό μειώνεται στην κάθοδο. Όταν το ανιόν είναι πολυατομικό ιόν, το νερό οξειδώνεται στην άνοδο, με αποτέλεσμα τη μείωση του νερού. Τα θειικά και τα νιτρικά είναι δύο παραδείγματα ανιόντων.