Електрохемијата е гранка на хемијата која ја проучува врската помеѓу електричната енергија и хемиските реакции. Истражува како хемиската енергија се претвора во електрична енергија и обратно. Во срцето на електрохемијата се електрохемиските ќелии, кои се уреди способни или да генерираат електрична енергија од хемиски реакции или да ги олеснат хемиските реакции преку воведување електрична енергија.
Разбирање на редокс реакции
Основата на електрохемијата лежи во реакциите на редокс (оксидација-редукција). Тоа се процеси каде што една супстанција губи електрони (оксидација), а друга добива електрони (редукција). Лесен начин да се запамети ова е: - Оксидацијата е загуба (на електроните), Редукцијата е добивка (на електроните) - скратено како OIL RIG. На пример, оксидацијата на железо формира 'рѓа во реакција со кислород: \( 4Fe + 3O 2 \rightarrow 2Fe 2O_3 \) Овде, железото (Fe) губи електрони до кислород (O2), што доведува до негова оксидација, додека кислородот се намалува.
Електрохемиски ќелии
Електрохемиските ќелии се категоризираат во два главни типа: галвански (или напонски) ќелии и електролитски ќелии. И двете ги олеснуваат реакциите на редокс, но функционираат на фундаментално спротивни начини.
Галвански ќелии
Галванските ќелии ја претвораат хемиската енергија во електрична енергија преку спонтани реакции на редокс. Тие се состојат од два различни метали (електроди) потопени во електролитски раствори, кои се поврзани со солен мост. Протокот на електрони низ надворешно коло од анодата (се јавува оксидација) до катодата (се јавува редукција) генерира електрична струја. Класичен пример за галванска ќелија е ќелијата Даниел, која вклучува цинкова електрода во раствор на цинк сулфат и бакарна електрода во раствор од бакар сулфат. Полуреакции се: - Анода (оксидација): \(Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}\) - Катода (редукција): \(Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu\) Целокупната клеточна реакција е: \( Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu \)
Електролитски ќелии
За разлика од галванските ќелии, електролитските ќелии користат електрична енергија за да предизвикаат неспонтани хемиски реакции. Овие ќелии имаат и две електроди и електролит, но бараат надворешен напон за да работат. Тие се широко користени во галванизација, електролиза на вода и разни индустриски процеси. На пример, електролизата на водата произведува водород и кислород гасови: \( 2H 2O(l) \rightarrow 2H 2(g) + O_2(g) \) На катодата, водата се редуцира за да формира водороден гас: \( 2H 2O(l) + 2e^{-} \rightarrow H 2(g) + 2OH^{-}(aq) \) На анодата, водата се оксидира за да формира кислороден гас: \( 2H 2O(l) \rightarrow O 2(g) + 4H^{+}(aq) + 4e^{-} \)
Нернст равенка
Нернстовата равенка дава начин да се пресмета потенцијалот на електрохемиската ќелија под какви било услови. Го зема предвид стандардниот потенцијал на електродата, температурата и концентрациите (или притисоците) на реактантите и производите. Равенката е дадена со: \( E = E^\circ - \frac{RT}{nF} \ln Q \) Каде: - \(E\) е потенцијалот на ќелијата под нестандардни услови, - \(E^\circ\) е стандардниот потенцијал на ќелијата, - \(R\) е гасната константа (8,314 J/(mol·K)), - \(T\) е температурата во Келвин, - \(n\) е бројот на пренесени молови на електрони, - \(F\) е Фарадејова константа (96485 C/mol), и - \(Q\) е количникот на реакцијата, што е односот на концентрациите на производот и концентрациите на реактантот.
Примени на електрохемија
Електрохемијата има широк опсег на примени во различни области: - Батерии: Преносливи извори на енергија кои напојуваат сè, од играчки до автомобили. - Горивни ќелии: уреди кои ја претвораат хемиската енергија од гориво во електрична енергија преку хемиска реакција со кислород или друго оксидирачко средство. - Спречување на корозија: Со нанесување на заштитна обвивка на метали или користење на жртвувани аноди може да се спречат деструктивни процеси на оксидација. - Позирање: Процес на обложување на предмет со тенок слој од метал со помош на електрична струја. - Прочистување на водата: Електрохемиските процеси можат да ги отстранат нечистотиите и загадувачите од водата.
Влијание врз животната средина и идни перспективи
Додека електрохемијата игра клучна улога во складирањето на енергијата и различните индустриски процеси, таа исто така се соочува со предизвици поврзани со влијанието врз животната средина, како што се загадувањето со тешки метали и фрлањето на искористените батерии и електрохемиските уреди. Идните насоки во електрохемиското истражување имаат за цел да развијат поодржливи и еколошки технологии, вклучувајќи напредни батерии со поголема ефикасност и помали влијанија врз животната средина, како и методи за намалување на CO2 за борба против климатските промени. Преку континуираните иновации и истражувања, електрохемијата има ветување за значителен напредок во чистата енергија, заштитата на животната средина и широк опсег на технолошки апликации.
