Двенадцатый класс → Электрохимия ↓
Электрохимические клетки (гальванические и электролитические клетки)
Электрохимия - это важная область химии, изучающая взаимосвязь между электрической энергией и химическими реакциями, особенно окислительно-восстановительными реакциями. В основе электрохимии лежат электрохимические клетки, которые могут либо генерировать электрическую энергию из химических реакций, либо использовать электрическую энергию для реализации неспонтанных реакций.
Что такое электрохимические клетки?
Электрохимические клетки - это устройства, которые преобразуют химическую энергию в электрическую или наоборот. Существуют два основных типа электрохимических клеток:
- Гальванический элемент (или вольтов столб)
- Электролитическая ячейка
Гальванические клетки
Гальваническая ячейка предназначена для преобразования химической энергии в электрическую энергию путем спонтанных химических реакций. Она генерирует электричество при проведении редокс-реакции.
Структура гальванической ячейки
Основная гальваническая ячейка состоит из двух различных металлов, погруженных в их соответствующие ионные растворы и соединенных проводом, что позволяет электронам течь. Дополнительный компонент, солевой мостик, завершает цепь, позволяя переносу ионов и поддерживая зарядовый баланс.
Zn | Zn 2+ (aq) || Cu2+ (aq) куб
В этой конкретной схеме происходит окисление цинка, теряющего электроны, в то время как медь восстанавливается, приобретая электроны.
Как работает гальваническая ячейка?
Химические реакции в гальванической ячейке происходят следующим образом:
- Реакция окисления (анод): это где металл цинка (Zn) теряет электроны и превращается в ионы цинка (
Zn → Zn2+ + 2e-). - Реакция восстановления (катод): ионы меди в растворе получают электроны и образуют металлическую медь (
Cu2+ + 2e- → Cu).
Поток электронов от цинка к медному электроду через внешний провод производит электрическую энергию.
Электродный потенциал
Разность потенциалов между двумя полуячейками приводит к движению электронов в цепи. У каждого металла имеется связанный стандартный электродный потенциал, рассчитанный в стандартных условиях концентрации 1 M, температуры 25°C и давления 1 атм.
Измеряя напряжение, мы можем определить потенциал ячейки (ЭДС) с использованием следующего уравнения:
E ячейки = E катода - E анода
Электролитическая ячейка
В отличие от гальванических ячеек, электролитические ячейки используют электрическую энергию для проведения неспонтанных химических реакций. Они требуют внешнего источника питания, такого как батарея или блок питания, для запуска и поддержания реакций.
Структура электролитической ячейки
Электролитическая ячейка состоит из двух электродов, погруженных в электролитический раствор. Источник питания подключен к электродам, чтобы реакция могла протекать.
{ Источник питания } - Анод (Окисление) | Электролит | Катод (Восстановление)
Как работает электролитическая ячейка?
Основной процесс - это электролиз:
- Окисление на аноде: Анионы, присутствующие в электролите, теряют электроны и перемещаются к аноду. Например, при электролизе расплавленного хлорида натрия ионы хлорида окисляются до газообразного хлора (
2Cl- - 2e- → Cl2). - Восстановление на катоде: Катионы получают электроны и перемещаются к катоду. В том же примере ионы натрия получают электроны и образуют металл натрия (
Na+ + e- → Na).
Применение электролитических ячеек
Электролитические ячейки широко используются в промышленных применениях, включая:
- Гальванопластика
- Электрорафинирование
- Производство химикатов, таких как хлор и гидроксид натрия
Сравнение гальванических и электролитических ячеек
Несмотря на то что оба типа ячеек включают окислительно-восстановительные реакции, они имеют явные различия:
| Аспект | Гальваническая ячейка | Электролитическая ячейка |
|---|---|---|
| Преобразование энергии | Химическая в электрическую | Электрическая в химическую |
| Независимость | Спонтанная реакция | Неспонтанная реакция |
| Внешнее питание | Не требуется | Необходимо |
Визуальный пример гальванической ячейки (упрощенный)
Пример расчета потенциала ячейки
Для расчета стандартного напряжения рассмотрим ячейку, состоящую из цинка и меди:
E катода = +0.34 ВE анода = -0.76 В
На основе уравнения потенциала ячейки:
E ячейки = E катода - E анода = 0.34 В - (-0.76 В) = 1.10 В
Этот положительный потенциал ячейки указывает на спонтанную реакцию, что типично для гальванической ячейки.
Заключительные замечания по электрохимическим ячейкам
Электрохимические ячейки играют фундаментальную роль как в химии, так и в повседневной жизни. Гальванические ячейки необходимы для батарей, находящихся в бесчисленных устройствах, в то время как электролитические ячейки важны в промышленных процессах и производстве химических соединений. Понимание их принципов обеспечивает основу для понимания того, как осуществляется преобразование энергии с помощью химических реакций.
Комментарии