Ηλεκτροχημικά κύτταρα – Ηλεκτρολυτικά και Γαλβανικά κύτταρα

Τι είναι ένα Ηλεκτροχημικό Κύτταρο και πώς λειτουργεί;

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.

Ηλεκτροχημικό στοιχείο

1. Αυτά τα μισά κύτταρα ενώνονται με μια γέφυρα αλατιού, η οποία χρησιμεύει ως πλατφόρμα για ιοντική επικοινωνία μεταξύ τους, ενώ τα εμποδίζει να αναμειχθούν μεταξύ τους. Η γέφυρα αλατιού είναι ένα κομμάτι διηθητικού χαρτιού που έχει βυθιστεί σε διάλυμα νιτρικού καλίου ή χλωριούχου νατρίου.
2. Όταν ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο χωρίζεται σε δύο μισά, το ένα από τα μισά χάνει ηλεκτρόνια ως αποτέλεσμα της οξείδωσης και το άλλο λαμβάνει ηλεκτρόνια ως αποτέλεσμα της αναγωγής. Ένα πράγμα που πρέπει να έχετε κατά νου είναι ότι μια απόκριση ισορροπίας συμβαίνει και στις δύο μισές κυψέλες και ότι μόλις επιτευχθεί η ισορροπία, η καθαρή τάση πέφτει στο μηδέν και η κυψέλη παύει να παράγει ηλεκτρισμό.

3.) Το δυναμικό ηλεκτροδίου ενός ηλεκτροδίου που βρίσκεται σε επαφή με έναν ηλεκτρολύτη περιγράφει την τάση του ηλεκτροδίου να χάνει ή να αποκτά ηλεκτρόνια όταν έρχεται σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη. Οι τιμές αυτών των δυναμικών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη του συνολικού δυναμικού κυψέλης από τις τιμές αυτών των δυναμικών. Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα δυναμικά των ηλεκτροδίων μετρώνται με τη χρήση ενός τυπικού ηλεκτροδίου υδρογόνου, το οποίο χρησιμεύει ως ηλεκτρόδιο αναφοράς για τις μετρήσεις (ένα ηλεκτρόδιο γνωστού δυναμικού).

Τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα κύτταρα είναι δύο τύποι κελιών.

Κύρια κελιά: είναι ουσιαστικά γαλβανικά κύτταρα που χρησιμοποιούνται και απορρίπτονται. Είναι μη αναστρέψιμο στη φύση οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις να λαμβάνουν χώρα σε αυτά τα κύτταρα. Τα αντιδρώντα αποστραγγίζονται έτσι ώστε να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια και η κυψέλη παύει να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα αφού τα αντιδρώντα έχουν εξαντληθεί στα απολύτως απαραίτητα.

Δευτερεύοντα κελιά: (γνωστές και ως επαναφορτιζόμενες μπαταρίες) είναι ηλεκτροχημικά στοιχεία με αναστρέψιμη αντίδραση, που σημαίνει ότι μπορούν να λειτουργήσουν και ως γαλβανικό και ως ηλεκτρολυτικό στοιχείο.

Οι δευτερεύουσες κυψέλες (γνωστές και ως επαναφορτιζόμενες μπαταρίες) είναι ηλεκτροχημικές κυψέλες στις οποίες η αντίδραση είναι αναστρέψιμη, δηλαδή η κυψέλη μπορεί να λειτουργήσει ταυτόχρονα ως γαλβανική και ως ηλεκτρολυτική κυψέλη.

Σε γενικές γραμμές, οι περισσότερες κύριες μπαταρίες (οι οποίες αποτελούνται από πολλές κυψέλες που συνδέονται σε σειρά, παράλληλα ή συνδυασμό των δύο) θεωρούνται αναποτελεσματικές και επιβλαβείς για το περιβάλλον τεχνολογίες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η διαδικασία παραγωγής τους καταναλώνει περίπου 50 φορές την ενέργεια που περιέχουν. Υπάρχουν επίσης αρκετά επιβλαβή μέταλλα σε αυτά, γι' αυτό και ταξινομούνται ως επικίνδυνα απόβλητα.

Τα ηλεκτροχημικά κύτταρα ταξινομούνται στις ακόλουθες κατηγορίες:

Τα κύτταρα που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες.

1. Γαλβανικά κύτταρα 

   2.Ηλεκτρολυτικό στοιχείο

   Γαλβανικό κύτταρο:-

Προκειμένου να μετατραπεί η χημική δυναμική ενέργεια σε ηλεκτρική δυναμική ενέργεια, τα γαλβανικά στοιχεία αποτελούνται από δύο ημιστοιχεία που συνδέονται μεταξύ τους. Λαμβάνει χώρα ως αποτέλεσμα μιας αυθόρμητης χημικής αντίδρασης. Τα γαλβανικά κύτταρα αποτελούνται από δύο ημιστοιχεία, με κάθε μισό στοιχείο να περιέχει ένα ηλεκτρόδιο βυθισμένο σε έναν ηλεκτρολύτη. Με την παραγωγή μιας διαφοράς δυναμικού μεταξύ των αντιδράσεων αναγωγής και οξείδωσης, είναι δυνατό να αποφευχθεί η άμεση χημική επαφή μεταξύ των δύο αντιδράσεων. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης οξείδωσης, τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται στο περιβάλλον και στη συνέχεια διέρχονται από ένα εξωτερικό κύκλωμα προτού χρησιμοποιηθούν από την αντίδραση αναγωγής.

Λειτουργία γαλβανικού κυττάρου:-

Τα γαλβανικά κύτταρα λειτουργούν με σχετικά απλό τρόπο. Συνεπάγεται μια χημική αντίδραση που επιτρέπει στην ηλεκτρική ενέργεια να μετατραπεί σε χρησιμοποιήσιμη μορφή ως τελικό αποτέλεσμα. Προκειμένου να μετατραπεί η χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, το γαλβανικό στοιχείο χρησιμοποιεί τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ των ηλεκτρονίων που συμβαίνει κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής. Οι παρακάτω είναι οι αντιδράσεις που συμβαίνουν στο κύτταρο Daniel (γαλβανικό κύτταρο) στην κάθοδο και την άνοδο:

κάθοδος:Cu²⁺ + 2e⁻→ Cu

άνοδος:Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

Το γαλβανικό στοιχείο έχει την ικανότητα να διαχωρίζει τη ροή των ηλεκτρονίων μέσω του κύκλου οξείδωσης και αναγωγής, με αποτέλεσμα μια ημιαντίδραση και τη σύνδεση και των δύο σε ένα σύρμα προκειμένου να δημιουργηθεί μια διαδρομή για τη ροή των ηλεκτρονίων σε αυτό το σύρμα. Το γαλβανικό στοιχείο είναι ένας τύπος ηλεκτροχημικού στοιχείου που χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό της ροής ηλεκτρονίων μέσω του κύκλου οξείδωσης και αναγωγής. Αυτός ο τύπος κίνησης ηλεκτρονίων αναφέρεται ως ρεύμα στις περισσότερες περιπτώσεις. Αυτό το ρεύμα μπορεί να διατρέχει ένα καλώδιο για να ολοκληρώσει ένα κύκλωμα και να λάβει την έξοδο σε οποιαδήποτε συσκευή, όπως ένα ρολόι, μια τηλεόραση ή άλλη ηλεκτρονική συσκευή, μεταξύ άλλων.

Ηλεκτρολυτικό στοιχείο:-

Τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα είναι πολύ παρόμοια με τα γαλβανικά στοιχεία καθώς απαιτούν μια γέφυρα αλατιού, δύο ηλεκτρόδια και τη ροή ηλεκτρονίων από την άνοδο στην κάθοδο εκτός από τη ροή των ηλεκτρονίων. Παρόλα αυτά, τα δύο ηλεκτρόδια είναι σε θέση να διακρίνονται το ένα από το άλλο με διάφορους τρόπους. Επειδή, μεταξύ άλλων, το ηλεκτρολυτικό στοιχείο μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια και όχι το αντίστροφο

Λειτουργία ηλεκτρολυτικού στοιχείου:-

Η ηλεκτρόλυση τετηγμένου χλωριούχου νατρίου (το οποίο περιέχει διασπαρμένα κατιόντα Na+ και ανιόντα Cl-) μπορεί να επιτευχθεί με τη βοήθεια ενός στοιχείου ηλεκτρόλυσης.

Στην παρακάτω εικόνα, δύο αδρανή ηλεκτρόδια βυθίζονται σε τετηγμένο χλωριούχο νάτριο για να καταδειχθεί η διαδικασία. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από την κάθοδο και προκαλεί την ανάπτυξη αρνητικού φορτίου, η κάθοδος γίνεται πλούσια σε ηλεκτρόνια. Ελκύεται από την αρνητικά φορτισμένη κάθοδο από το θετικά φορτισμένο ιόν νατρίου (Na+).

Τα άτομα χλωρίου έλκονται από την κάθοδο, η οποία είναι θετικά φορτισμένη. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται αέριο χλώριο στην άνοδο του ηλεκτροχημικού στοιχείου. Ακολουθούν οι χημικές εξισώσεις, καθώς και η συνολική αντίδραση των κυττάρων:

Κάθοδος:Na⁺+e⁻→Na x 2

Άνοδος:2Cl⁻ → Cl2 + 2e⁻

Αντίδραση κυττάρων:2NaCl → 2Na + Cl2

Συμπέρασμα

Τα ηλεκτροχημικά κύτταρα είναι συσκευές που είναι ικανές είτε να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από χημικές διεργασίες είτε να χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια για να προκαλέσουν χημικές αντιδράσεις. Τα τυπικά γαλβανικά στοιχεία περιλαμβάνουν ένα στοιχείο 1,5 volt που προορίζεται για γενική χρήση από τους καταναλωτές, το οποίο είναι ένα δημοφιλές παράδειγμα.

Τα ηλεκτροχημικά κύτταρα είναι ικανά να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή χημικής ενέργειας, 

Γαλβανικές ή βολταϊκές κυψέλες, ηλεκτρολυτικές κυψέλες, κυψέλες καυσίμου, φορτιζόμενες και μη επαναφορτιζόμενες κυψέλες είναι οι διάφοροι τύποι ηλεκτροχημικών στοιχείων.

Τα γαλβανικά κύτταρα παράγουν ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας την ενέργεια που παράγεται από τη χημική ουσία που περιλαμβάνεται στα κύτταρα. Αυτές οι μπαταρίες έχουν τη δυνατότητα επαναφόρτισης.