Электрохимические ячейки

Электрохимические ячейки являются основополагающими устройствами в области электрохимии, позволяя химической энергии превращаться в электрическую и наоборот. Эти ячейки центральны для многих приложений в нашей повседневной жизни, включая батареи, топливные элементы и различные датчики. Это подробное описание глубоко рассмотрит внутреннее устройство электрохимической ячейки, их типы, компоненты и применение, предоставляя как текстовые, так и визуальные примеры для облегчения понимания.

Основные понятия

Химические реакции

Прежде чем изучать электрохимические ячейки, важно понять химические реакции, которые заставляют их работать. В любой электрохимической ячейке протекают реакции окисления-восстановления (редокс). Эти реакции включают передачу электронов от одного химического вида к другому.

Окисление и восстановление

Окисление — это процесс, при котором вещество теряет электроны. Восстановление, с другой стороны, — это приобретение электронов. Вещество, теряющее электроны, называется окисленным, а вещество, принимающее электроны, называется восстановленным. Вид, который отдает электроны, называется восстановителем, а тот, кто принимает электроны, называется окислителем.

Редокс-реакции

В электрохимической ячейке эти редокс-реакции разделяются на две полуреакции, которые происходят в отдельных областях ячейки, вызывая протекание электронов по внешней цепи и производя электричество.

Компоненты электрохимической ячейки

Теперь, когда мы понимаем, какие реакции происходят, давайте углубимся в структурную композицию электрохимической ячейки. Электрохимическая ячейка имеет два основных компонента: анод и катод.

Анод

Анод — это электрод, на котором происходит окисление. Электроны высвобождаются из химического вещества на аноде, и эти высвобожденные электроны проходят через внешнюю цепь к катоду.

Реакция: Окисление на аноде
,
Zn (s) rightarrow Zn^{2+} (aq) + 2e^{-}
,
    

Катод

Катод — это место, где происходит восстановление. Электроны, поступающие из внешней цепи, принимаются химическим веществом на катоде.

Реакция: Восстановление на катоде
,
Cu^{2+} (aq) + 2e^{-} rightarrow Cu (s)
,
    

Примечание: Стандартное сокращенное обозначение электрохимической ячейки — это Zn|Zn^{2+}||Cu^{2+}|Cu, где одиночные линии представляют фазовые границы, а двойная линия представляет собой солевой мостик или соединение между двумя полуклетками.

Солевой мостик

Солевой мостик — это важный компонент в электрохимической ячейке. Он служит для завершения электрической цепи и позволяет ионному потоку, предотвращая смешивание растворов в двух полуклетках, а также поддерживает электрическую нейтральность, позволяя ионное перемещение.

Типы электрохимических ячеек

Гальванические (вольтаические) ячейки

Гальваническая ячейка, также известная как вольтаическая ячейка, это ячейка, которая преобразует химическую энергию в электрическую через самопроизвольные редокс-реакции. Это тип ячейки, используемый в батареях, которые обеспечивают электричеством множество приложений.

Пример: Ячейка Даниэля

Классическим примером гальванической ячейки является ячейка Даниэля.

В ячейке Даниэля:

• Анод изготовлен из цинкового металла, который окисляется и выпускает электроны во внешнюю цепь.
• Катод изготовлен из меди, и медные ионы, присутствующие в растворе, захватывают эти электроны и восстанавливаются.
• Цинковые ионы вступают в раствор, и медь осаждается на медном электроде.

Электролитическая ячейка

Электролитические ячейки используют электрическую энергию для руководства неспонтанными химическими реакциями. Эти ячейки важны в процессах, таких как электролиз, где соединения разбиваются на свои основные части через пропускание электрического тока.

Пример: Электролиз воды

В электролитической ячейке, такой как используемой для электролиза воды:

В процессе электролиза воды:

• Катод принимает электроны от электрического источника, что приводит к восстановлению воды до водорода и гидроксид-ионов.
• Анод принимает электроны от воды и окисляет её, производя кислород и водородные ионы.

Реакции:
,
text{Катод: } 2H_2O + 2e^- rightarrow H_2 + 2OH^-
,
,
text{Анод: } 2H_2O right arrow O_2 + 4H^+ + 4e^-
,
    

Применение электрохимических ячеек

Батареи

Батареи — это классическое применение электрохимических ячеек. Они питают бесчисленное множество устройств в нашей повседневной жизни, от небольших гаджетов, таких как смартфоны, до более крупных приложений, таких как электромобили.

Топливные элементы

Топливные элементы — это еще один тип электрохимических ячеек, которые производят электричество, смешивая водород и кислород без горения. Они хвалятся за их эффективность и экологически чистый побочный продукт: воду.

Предотвращение коррозии

Электрохимические ячейки также могут использоваться для защиты металлов от коррозии, которая является естественной редокс-реакцией, в которой металлы разрушаются при воздействии окружающей среды. Такие методы, как катодная защита, используют электрохимические принципы для предотвращения этого.

Этот всесторонний обзор природы, функций и применений электрохимических ячеек подчеркивает их распространенность и важность как в научных, так и в практических областях, и воплощает в себе бесперебойное преобразование между химической и электрической энергиями, которое питает значительную часть современного мира.

Комментарии