Ang electrochemical cell ay isang aparato na bumubuo ng elektrikal na enerhiya mula sa mga kemikal na reaksyon o nagpapadali sa mga reaksiyong kemikal sa pamamagitan ng pagpapakilala ng elektrikal na enerhiya. Mayroong dalawang pangunahing uri ng electrochemical cells: galvanic (o voltaic) cells at electrolytic cells .
Sa isang galvanic cell, ang isang spontaneous chemical reaction ay gumagawa ng elektrikal na enerhiya. Ang ganitong uri ng cell ay itinayo mula sa dalawang magkaibang metal, na kilala bilang mga electrodes, na konektado sa pamamagitan ng isang electrolyte solution na nagpapahintulot sa mga ion na lumipat sa pagitan ng mga ito. Ang karaniwang halimbawa ng galvanic cell ay ang lemon battery , kung saan ang isang piraso ng zinc at isang piraso ng tanso ay ipinapasok sa isang lemon. Ang sitriko acid sa lemon ay gumaganap bilang isang electrolyte.
Ang mga kemikal na reaksyon sa isang galvanic cell ay kinabibilangan ng mga proseso ng oksihenasyon at pagbabawas. Ang metal na nag-oxidize (nakakawala ng mga electron) ay tinatawag na anode , habang ang metal na nagpapababa (nakakakuha ng mga electron) ay tinatawag na cathode . Ang pangkalahatang reaksyon ay maaaring kinakatawan ng equation:
\( \textrm{reaksyon ng oksihenasyon sa anode} + \textrm{pagbabawas ng reaksyon sa katod} = \textrm{netong reaksyon ng cell} \)Hindi tulad ng mga galvanic cell, ang mga electrolytic cell ay nangangailangan ng panlabas na pinagmumulan ng kuryente upang simulan ang kemikal na reaksyon. Ang mga cell na ito ay ginagamit para sa mga proseso tulad ng electroplating at ang electrolysis ng tubig. Sa isang electrolytic cell, ang anode ay ang electrode kung saan nangyayari ang oksihenasyon, at ang cathode ay kung saan nagaganap ang pagbawas-katulad ng isang galvanic cell. Gayunpaman, ang pangunahing pagkakaiba ay nasa direksyon ng daloy ng de-koryenteng kasalukuyang.
Ang isang simpleng eksperimento na nagpapakita ng electrolytic cell ay ang electrolysis ng tubig. Sa pamamagitan ng paglalapat ng panlabas na kasalukuyang sa tubig na may halong electrolyte (tulad ng asin), ang mga molekula ng tubig ay nabubulok sa hydrogen at oxygen na mga gas:
\( 2H_2O(l) \rightarrow 2H_2(g) + O_2(g) \)Inilalarawan ng reaksyong ito ang pangunahing proseso ng electrolysis, kung saan ginagamit ang kuryente upang magmaneho ng hindi kusang kemikal na reaksyon.
Ang mga pangunahing bahagi ng isang electrochemical cell ay kinabibilangan ng:
Ang mga karaniwang potensyal ng electrode (E°) ay sinusukat sa ilalim ng mga karaniwang kondisyon (298 K, 1M na konsentrasyon, at 1 atm pressure) upang mahulaan ang direksyon ng redox reaction. Kung mas mataas ang halaga ng E°, mas malaki ang tendensya ng isang species na makakuha ng mga electron at sumailalim sa pagbawas. Ang karaniwang potensyal ng elektrod para sa isang cell ay kinakalkula gamit ang formula:
\( E^\textrm{cell}_{\textrm{pamantayan}} = E^\textrm{katod}_{\textrm{pamantayan}} - E^\textrm{anode}_{\textrm{pamantayan}} \)Ang equation na ito ay tumutulong upang matukoy ang potensyal ng elektrod ng buong cell, na nagpapahiwatig ng kakayahang makabuo ng isang de-koryenteng puwersa.
Ang equation ng Nernst ay nagbibigay ng paraan upang kalkulahin ang potensyal ng elektrod ng isang electrochemical cell sa ilalim ng hindi karaniwang mga kondisyon. Isinasaalang-alang ang konsentrasyon ng mga ion sa iba't ibang temperatura. Ang equation ay ibinigay ng:
\( E = E^\textrm{°} - \frac{RT}{nF} \ln Q \)kung saan ang \(E\) ay ang electrode potential sa hindi karaniwang kondisyon, \(E^\textrm{°}\) ay ang standard electrode potential, \(R\) ay ang unibersal na gas constant (8.314 J/(mol·K). )), \(T\) ay ang temperatura sa Kelvin, \(n\) ay ang bilang ng mga moles ng mga electron na inilipat sa reaksyon, \(F\) ay ang Faraday constant (96485 C/mol), at \(Q\) ay ang reaction quotient, na isang sukatan ng mga konsentrasyon ng mga reactant at produkto.
Para sa isang galvanic cell na tumatakbo sa ilalim ng mga karaniwang kundisyon ngunit sa iba't ibang mga konsentrasyon, ang Nernst equation ay nagpapahintulot sa amin na kalkulahin kung paano nag-iiba ang potensyal ng cell sa konsentrasyon. Halimbawa, sa isang zinc-copper galvanic cell, ang pagbabago sa konsentrasyon ng \(Zn^{2+}\) o \(Cu^{2+}\) ions ay magbabago sa potensyal ng cell ayon sa Nernst equation.
Ang mga electrochemical cell ay may malawak na hanay ng mga aplikasyon, kabilang ang:
Ang mga electrochemical cell ay pundasyon sa parehong praktikal at teoretikal na aspeto ng kimika at pisika. Sa pamamagitan ng kanilang kakayahang mag-interconvert ng kemikal at elektrikal na enerhiya, nagsisilbi sila ng maraming tungkulin sa ating pang-araw-araw na buhay at sa mga pang-industriyang aplikasyon. Ang pag-unawa sa mga pangunahing prinsipyo ng mga electrochemical cell, tulad ng mga redox na reaksyon, potensyal ng cell, at ang mga epekto ng konsentrasyon at temperatura sa pagganap ng cell, ay nagbibigay-daan sa amin na gamitin at i-optimize ang kanilang mga kakayahan para sa iba't ibang layunin. Mula sa pagpapagana ng mga portable electronics hanggang sa pagpapadali sa malalaking proseso ng pagmamanupaktura, binibigyang-diin ng mga aplikasyon ng mga electrochemical cell ang kanilang kahalagahan sa pagsulong ng teknolohiya at pagpapabuti ng kalidad ng buhay.
Ang pag-aaral ng mga electrochemical cell ay nag-aalok din ng isang kamangha-manghang pananaw sa mas malawak na larangan ng electrochemistry, na naglalarawan ng malalim na epekto ng mga kemikal na reaksyon sa mga electrical phenomena at vice versa. Habang nagpapatuloy ang pananaliksik sa lugar na ito, maaari nating asahan na makakita ng higit pang mga inobasyon at aplikasyon na gumagamit ng mga prinsipyo ng electrochemistry, na nag-aambag sa mga sustainable na solusyon sa enerhiya at mga bagong teknolohiya.
Sa konklusyon, kung tatalakayin man natin ang mga galvanic cell na nagbibigay sa atin ng portable na pinagmumulan ng kapangyarihan o electrolytic cells na nagpapadali sa mahahalagang proseso ng kemikal, ang mga prinsipyo at aplikasyon ng mga electrochemical cell ay bumubuo ng mahalagang bahagi ng modernong agham at teknolohiya. Sa patuloy na pagsulong at pananaliksik, ang potensyal para sa mga bagong pagtuklas at aplikasyon sa larangang ito ay nananatiling malawak, na nangangako ng mga kapana-panabik na pag-unlad para sa hinaharap.
