Електрохемиска ќелија е уред кој генерира електрична енергија од хемиски реакции или ги олеснува хемиските реакции преку воведување електрична енергија. Постојат два главни типа на електрохемиски ќелии: галвански (или напонски) ќелии и електролитски ќелии .
Во галванска ќелија, спонтана хемиска реакција произведува електрична енергија. Овој тип на ќелии е изграден од два различни метали, познати како електроди, кои се поврзани со раствор на електролит кој им овозможува на јоните да се движат меѓу нив. Вообичаен пример за галванска ќелија е лимонската батерија , каде парче цинк и парче бакар се вметнуваат во лимон. Лимонската киселина во лимонот делува како електролит.
Хемиските реакции во галванска ќелија вклучуваат процеси на оксидација и редукција. Металот што оксидира (ги губи електроните) се нарекува анода , додека металот што редуцира (добива електрони) се нарекува катода . Целокупната реакција може да се претстави со равенката:
\( \textrm{реакција на оксидација на анода} + \textrm{реакција на редукција на катодата} = \textrm{нето-клеточна реакција} \)За разлика од галванските ќелии, на електролитски ќелии им е потребен надворешен електричен извор за да се започне хемиската реакција. Овие ќелии се користат за процеси како што се галванизација и електролиза на вода. Во електролитичка ќелија, анодата е електрода каде што се случува оксидација, а катодата е местото каде што се случува редукцијата - слично на галванска ќелија. Сепак, клучната разлика е во насоката на протокот на електрична струја.
Едноставен експеримент кој покажува електролитичка ќелија е електролиза на вода. Со примена на надворешна струја на вода измешана со електролит (како сол), молекулите на водата се распаѓаат на водород и кислородни гасови:
\( 2H_2O(l) \rightarrow 2H_2(g) + O_2(g) \)Оваа реакција го илустрира основниот процес на електролиза, каде што електричната енергија се користи за да се поттикне неспонтана хемиска реакција.
Основните компоненти на електрохемиската ќелија вклучуваат:
Стандардните електродни потенцијали (E°) се мерат во стандардни услови (298 K, 1M концентрација и 1 atm притисок) за да се предвиди насоката на редокс реакцијата. Колку е поголема вредноста на E°, толку е поголема тенденцијата на еден вид да добие електрони и да претрпи редукција. Стандардниот потенцијал на електродата за ќелија се пресметува со формулата:
\( E^\textrm{ќелија}_{\textrm{стандарден}} = E^\textrm{катода}_{\textrm{стандарден}} - E^\textrm{анодна}_{\textrm{стандарден}} \)Оваа равенка помага да се одреди електродниот потенцијал на целата ќелија, што укажува на нејзината способност да генерира електрична сила.
Нернстовата равенка дава начин да се пресмета електродниот потенцијал на електрохемиска ќелија под нестандардни услови. Ја зема предвид концентрацијата на јони на различни температури. Равенката е дадена со:
\( E = E^\textrm{°} - \frac{RT}{nF} \ln Q \)каде \(E\) е електродниот потенцијал при нестандардни услови, \(E^\textrm{°}\) е стандардниот електроден потенцијал, \(R\) е универзалната гасна константа (8,314 J/(mol·K )), \(T\) е температурата во Келвин, \(n\) е бројот на молови на електрони пренесени во реакцијата, \(F\) е Фарадеевата константа (96485 C/mol) и \(Q\) е количникот на реакцијата, кој е мерка за концентрациите на реактантите и производите.
За галванска ќелија која работи под стандардни услови, но во различни концентрации, Nernst равенката ни овозможува да пресметаме како клеточниот потенцијал варира со концентрацијата. На пример, во галванска ќелија од цинк-бакар, менувањето на концентрацијата на јоните \(Zn^{2+}\) или \(Cu^{2+}\) ќе го промени клеточниот потенцијал според Нернстовата равенка.
Електрохемиските ќелии имаат широк спектар на апликации, вклучувајќи:
Електрохемиските ќелии се основни и во практичниот и во теоретскиот аспект на хемијата и физиката. Преку нивната способност да интерконвертираат хемиска и електрична енергија, тие имаат мноштво улоги во нашиот секојдневен живот и во индустриските апликации. Разбирањето на основните принципи на електрохемиските ќелии, како што се редокс реакциите, клеточниот потенцијал и ефектите од концентрацијата и температурата врз перформансите на ќелијата, ни овозможува да ги искористиме и оптимизираме нивните способности за различни цели. Од напојување на пренослива електроника до олеснување на процесите на производство од големи размери, апликациите на електрохемиските ќелии ја нагласуваат нивната важност за унапредување на технологијата и подобрување на квалитетот на животот.
Студијата на електрохемиските ќелии, исто така, нуди фасцинантен увид во поширокото поле на електрохемијата, илустрирајќи го длабокото влијание на хемиските реакции врз електричните феномени и обратно. Како што продолжуваат истражувањата во оваа област, можеме да очекуваме да видиме понатамошни иновации и апликации кои ги користат принципите на електрохемијата, придонесувајќи за одржливи енергетски решенија и нови технологии.
Како заклучок, без разлика дали разговараме за галвански ќелии кои ни обезбедуваат пренослив извор на енергија или електролитски ќелии кои ги олеснуваат основните хемиски процеси, принципите и примената на електрохемиските ќелии се составен дел на модерната наука и технологија. Со тековниот напредок и истражување, потенцијалот за нови откритија и апликации во оваа област останува огромен, ветувајќи возбудливи случувања за иднината.
