Elektrokemijska ćelija je uređaj koji stvara električnu energiju iz kemijskih reakcija ili olakšava kemijske reakcije uvođenjem električne energije. Postoje dvije glavne vrste elektrokemijskih ćelija: galvanske (ili voltaične) ćelije i elektrolitičke ćelije .
U galvanskom članku spontana kemijska reakcija proizvodi električnu energiju. Ova vrsta ćelije izgrađena je od dva različita metala, poznatih kao elektrode, koje su povezane otopinom elektrolita koja omogućuje kretanje iona između njih. Uobičajen primjer galvanske ćelije je baterija limuna , gdje su komad cinka i komad bakra umetnuti u limun. Limunska kiselina u limunu djeluje kao elektrolit.
Kemijske reakcije u galvanskom članku uključuju procese oksidacije i redukcije. Metal koji oksidira (gubi elektrone) naziva se anoda , dok se metal koji reducira (prima elektrone) naziva katoda . Ukupna reakcija može se prikazati jednadžbom:
\( \textrm{reakcija oksidacije na anodi} + \textrm{reakcija redukcije na katodi} = \textrm{neto stanica reakcija} \)Za razliku od galvanskih ćelija, elektrolitičke ćelije zahtijevaju vanjski električni izvor za pokretanje kemijske reakcije. Te se ćelije koriste za procese kao što su galvanizacija i elektroliza vode. U elektrolitičkoj ćeliji, anoda je elektroda na kojoj se odvija oksidacija, a katoda je mjesto gdje se odvija redukcija - slično galvanskom članku. Međutim, ključna razlika je u smjeru toka električne struje.
Jednostavan eksperiment koji demonstrira elektrolitičku ćeliju je elektroliza vode. Primjenom vanjske struje na vodu pomiješanu s elektrolitom (poput soli), molekule vode se razgrađuju na plinove vodik i kisik:
\( 2H_2O(l) \rightarrow 2H_2(g) + O_2(g) \)Ova reakcija ilustrira temeljni proces elektrolize, gdje se električna energija koristi za pokretanje nespontane kemijske reakcije.
Osnovne komponente elektrokemijske ćelije uključuju:
Standardni elektrodni potencijali (E°) mjere se pod standardnim uvjetima (298 K, koncentracija 1 M i tlak od 1 atm) kako bi se predvidio smjer redoks reakcije. Što je veća vrijednost E°, to je veća tendencija vrste da dobije elektrone i podvrgne se redukciji. Standardni potencijal elektrode za ćeliju izračunava se pomoću formule:
\( E^\textrm{ćelija}_{\textrm{standard}} = E^\textrm{katoda}_{\textrm{standard}} - E^\textrm{anoda}_{\textrm{standard}} \)Ova jednadžba pomaže odrediti potencijal elektrode cijele ćelije, što ukazuje na njezinu sposobnost generiranja električne sile.
Nernstova jednadžba daje način za izračunavanje potencijala elektrode elektrokemijske ćelije u nestandardnim uvjetima. Uzima u obzir koncentraciju iona na različitim temperaturama. Jednadžba je dana sa:
\( E = E^\textrm{°} - \frac{RT}{nF} \ln Q \)gdje je \(E\) potencijal elektrode u nestandardnim uvjetima, \(E^\textrm{°}\) je standardni potencijal elektrode, \(R\) je univerzalna plinska konstanta (8,314 J/(mol·K) )), \(T\) je temperatura u Kelvinima, \(n\) je broj molova elektrona prenesenih u reakciji, \(F\) je Faradayeva konstanta (96485 C/mol), i \(Q\) je reakcijski kvocijent, koji je mjera koncentracija reaktanata i produkata.
Za galvanski članak koji radi pod standardnim uvjetima, ali pri različitim koncentracijama, Nernstova jednadžba omogućuje nam izračunavanje kako potencijal ćelije varira s koncentracijom. Na primjer, u cink-bakrenoj galvanskoj ćeliji, promjena koncentracije \(Zn^{2+}\) ili \(Cu^{2+}\) iona promijenit će potencijal ćelije prema Nernstovoj jednadžbi.
Elektrokemijske ćelije imaju širok raspon primjena, uključujući:
Elektrokemijske ćelije temelj su i praktičnog i teorijskog aspekta kemije i fizike. Svojom sposobnošću međusobnog pretvaranja kemijske i električne energije imaju mnoštvo uloga u našem svakodnevnom životu iu industrijskoj primjeni. Razumijevanje osnovnih principa elektrokemijskih ćelija, kao što su redoks reakcije, stanični potencijal i učinci koncentracije i temperature na izvedbu ćelije, omogućuje nam da iskoristimo i optimiziramo njihove mogućnosti za razne svrhe. Od napajanja prijenosne elektronike do olakšavanja velikih proizvodnih procesa, primjene elektrokemijskih ćelija naglašavaju njihovu važnost u unaprjeđenju tehnologije i poboljšanju kvalitete života.
Proučavanje elektrokemijskih ćelija također nudi fascinantan uvid u šire polje elektrokemije, ilustrirajući duboki utjecaj kemijskih reakcija na električne fenomene i obrnuto. Kako se istraživanje u ovom području nastavlja, možemo očekivati daljnje inovacije i primjene koje iskorištavaju načela elektrokemije, pridonoseći održivim energetskim rješenjima i novim tehnologijama.
Zaključno, bilo da govorimo o galvanskim ćelijama koje nam pružaju prijenosni izvor energije ili elektrolitičkim ćelijama koje olakšavaju bitne kemijske procese, principi i primjene elektrokemijskih ćelija čine sastavni dio moderne znanosti i tehnologije. Uz stalan napredak i istraživanje, potencijal za nova otkrića i primjene u ovom području ostaje golem, obećavajući uzbudljiv razvoj u budućnosti.
