Εφαρμογές Ηλεκτρικής Κινητικότητας

Η ηλεκτρική κινητικότητα είναι μια ζωτική έννοια στη χημεία και έχει διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην ανακάλυψη μπαταριών. Εάν δεν είχε ανακαλυφθεί η έννοια της μεταφοράς ηλεκτρονίων, τότε δεν θα μπορούσε να δημιουργηθεί εξοπλισμός αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας σε πόσιμο. Η Ηλεκτροχημεία είναι ένα θέμα που ασχολείται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ενέργεια που απελευθερώνεται λόγω χημικών αντιδράσεων και τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από αυτές τις αντιδράσεις σε διαφορετικούς χημικούς μετασχηματισμούς.

Αυτό το άρθρο θα εξηγήσει πρώτα την έννοια της κινητικότητας στη χημεία. Στη συνέχεια θα εξηγήσουμε την πιο σημαντική εφαρμογή της κινητικότητας των ηλεκτρονίων σε μια χημική αντίδραση. Επιπλέον, θα σας δώσουμε επίσης μια σύντομη εξήγηση σχετικά με τη θεωρία της ηλεκτρικής κινητικότητας, την οποία όρισε ο Robert Millikan.

Ορισμός της ηλεκτρικής κινητικότητας

Η ικανότητα των φορτισμένων σωματιδίων, δηλαδή των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων, να ταξιδεύουν μέσω ενός μέσου ως απάντηση στην εφαρμογή του ηλεκτρικού πεδίου ονομάζεται ηλεκτρική κινητικότητα. Όταν το ηλεκτρικό πεδίο έλκει τα φορτισμένα σωματίδια, αυτά συγκρούονται με άτομα στο πέρασμά τους. Η σύγκρουση με τα άτομα στο δρόμο τους λόγω της έλξης στην κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου οδηγεί στη δημιουργία ταχύτητας μετατόπισης. Να θυμάστε ότι ο ηλεκτρισμός είναι η ροή των ηλεκτρονίων. ως εκ τούτου είναι φορείς φορτίου σε κάθε μέταλλο.

Η έννοια της κινητικότητας δηλώνεται ως η ταχύτητα μετατόπισης που δρα ανά μονάδα ισχύος του ηλεκτρικού πεδίου. Επομένως, όσο πιο γρήγορα κινούνται τα ηλεκτρόνια στο ηλεκτρικό πεδίο. Όσο μεγαλύτερη είναι η κινητικότητά τους.

Θεωρία της ηλεκτρικής κινητικότητας

Ο Robert Millikan έδειξε ότι τα φορτία υπάρχουν σε διακριτές μονάδες, και έτσι δήλωσε ότι η ηλεκτρική κινητικότητα  ποικίλλει άμεσα με το μέσο φορτίο του σωματιδίου. Ένα σωματίδιο θα επιταχυνθεί σε ένα ηλεκτρικό πεδίο μέχρι να φτάσει τη μέση ταχύτητα, που ονομάζεται ταχύτητα μετατόπισης. Το σωματίδιο στο ηλεκτρικό πεδίο θα επιταχυνθεί σύμφωνα με τον τύπο που αναφέρεται παρακάτω.

Vd=μE

Εδώ,

Vd =ταχύτητα μετατόπισης μετρημένη σε m/s

E=μέγεθος ηλεκτρικού πεδίου (V/m)

=κινητικότητα (m2V.S)

Η κινητικότητα του Νατρίου, όταν αντιδρά με νερό στους 25 βαθμούς Κελσίου, είναι 5,19 x 10-8. Έτσι, το ιόν νατρίου, υπό την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου 1 V/m θα έχει μέση ταχύτητα 5,19 x 10-8 m/s.

Η ηλεκτρική κινητικότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη με την ακτίνα Stokes ενός ιόντος. Η ακτίνα Stokes είναι η ακτίνα ενός ιόντος που περιλαμβάνει ένα μόριο οποιουδήποτε άλλου διαλύτη που κινείται μαζί του. Στον περιοδικό πίνακα, η ηλεκτρική κινητικότητα ενισχύεται από Li+ σε Cs+. Έτσι είναι προφανές ότι η ακτίνα Stokes μειώνεται από λίθιο σε καίσιο.

Daniel Cell

Το κύτταρο Daniel χρησιμοποιεί την αντίδραση οξειδοαναγωγής για να μετατρέψει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η χημική εξίσωση για την αντίδραση οξειδοαναγωγής που συμβαίνει στο κύτταρο Daniel είναι η εξής.

Zns+Cu+2→Zn+2aq+Cus

Το κύτταρο Daniel είναι μία από τις ανακαλύψεις που βρέθηκαν λόγω της ανακάλυψης της έννοιας της ηλεκτρικής κινητικότητας. Το ηλεκτρικό δυναμικό στην κυψέλη Daniel είναι 1,1 V όταν η συγκέντρωση ιόντων ψευδαργύρου και χαλκού είναι 1 mol dm-3. Το κελί Daniel είναι επίσης γνωστό ως το γαλβανικό κελί.

Όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό δυναμικό στο γαλβανικό στοιχείο και γίνεται μια αργή αύξηση, μπορεί να διαπιστωθεί ότι η αντίδραση συνεχίζεται έως ότου το αντίθετο δυναμικό φτάσει την τιμή του 1,1 V. Μόλις ολοκληρωθεί η αντίδραση, δεν ρέει πλέον ρεύμα μέσα από το κελί. Ωστόσο, καθώς το δυναμικό αυξάνεται, η αντίδραση ξεκινά ξανά, αλλά αυτή τη φορά είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση και το στοιχείο γίνεται πλέον ηλεκτρολυτικό στοιχείο.

Γαλβανικά κύτταρα

Τα γαλβανικά κύτταρα μετατρέπουν τη χημική ενέργεια μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω της κινητικότητας των ηλεκτρονίων. Σε ένα γαλβανικό στοιχείο, η ενέργεια Gibbs της αντίδρασης οξειδοαναγωγής μετατρέπεται σε ηλεκτρικό έργο. Το ηλεκτρικό έργο που παράγεται με αυτόν τον τρόπο χρησιμοποιείται για τη λειτουργία διαφορετικών συσκευών όπως κινητήρα, θερμοσίφωνα, τηλεόραση κ.λπ.

Το κύτταρο του Daniel που συζητήθηκε παραπάνω είναι ένας τύπος γαλβανικού κυττάρου και η εξίσωση αντίδρασης είναι η ίδια όπως αναφέρθηκε παραπάνω στην προηγούμενη ενότητα. Αν ψάξουμε βαθιά στην εξίσωση αντίδρασης του κυττάρου Daniel, θα ανακαλύψουμε ότι η εξίσωση είναι ένας συνδυασμός δύο ημι-αντιδράσεων. Οι δύο ημι-αντιδράσεις αναφέρονται παρακάτω.

Cu+2+2e-=Cu s

Zns=Zn+2+2e-

Οι δύο ημι-αντιδράσεις συμβαίνουν σε διαφορετικές περιοχές του κελιού του Daniel. Η αντίδραση αναγωγής συμβαίνει στο ηλεκτρόδιο χαλκού, ενώ η αντίδραση οξείδωσης συμβαίνει στο ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου. Και τα δύο τμήματα των κυττάρων όπου συμβαίνει ημιαντίδραση ονομάζονται ημικύτταρα ή ζευγάρια οξειδοαναγωγής.

Μπορούμε να δημιουργήσουμε πολλά γαλβανικά κύτταρα χρησιμοποιώντας την έννοια της κινητικότητας ηλεκτρονίων και του κυττάρου του Daniel. Σε κάθε γαλβανικό στοιχείο, το ηλεκτρόδιο βυθίζεται στον ηλεκτρολύτη και τα ηλεκτρόδια συνδέονται με τη βοήθεια ενός σύρματος. Εκτός από τη σύνδεση του καλωδίου με τη βοήθεια ενός καλωδίου, ένα βολτόμετρο συνδέεται επίσης μεταξύ του καλωδίου. Οι ηλεκτρολύτες που υπάρχουν στα ημιστοιχεία συνδέονται με τη βοήθεια μιας γέφυρας αλατιού.

Συμπέρασμα

Η ανακάλυψη της ηλεκτρικής κινητικότητας είναι μια κομβική στιγμή στην ανθρώπινη ιστορία. Σήμερα, τα διάφορα βασικά gadget που χρησιμοποιούμε, όπως κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, tablet κ.λπ., τροφοδοτούνται με μπαταρίες που λειτουργούν με βάση την αρχή της ηλεκτρικής κινητικότητας. Η ανακάλυψη της θεωρίας της ηλεκτρικής κινητικότητας από τον Robert Millikan βοήθησε τις μελλοντικές γενιές να αναπτύξουν φορητές πηγές ενέργειας και να έχουν υψηλή πυκνότητα ισχύος. Επιπλέον, οι κυψέλες Galvanic είναι το θεμέλιο για τις μεταγενέστερες ανακαλύψεις στην τεχνολογία των μπαταριών. Σήμερα, μπορούμε να οδηγούμε τα αυτοκίνητά μας με μπαταρίες, κάτι που είναι το αποτέλεσμα της εξέλιξης που προκαλείται από την τεχνολογία μπαταριών.