Електрохімічний елемент — це пристрій, який генерує електричну енергію в результаті хімічних реакцій або сприяє хімічним реакціям шляхом введення електричної енергії. Існує два основних типи електрохімічних елементів: гальванічні (або вольтові) елементи та електролітичні елементи .
У гальванічному елементі спонтанна хімічна реакція виробляє електричну енергію. Цей тип елемента складається з двох різних металів, відомих як електроди, які з’єднані розчином електроліту, який дозволяє іонам рухатися між ними. Поширеним прикладом гальванічного елемента є лимонна батарея , де шматок цинку та шматок міді вставляються в лимон. Лимонна кислота в лимоні діє як електроліт.
Хімічні реакції в гальванічному елементі включають процеси окислення та відновлення. Метал, який окислюється (втрачає електрони), називається анодом , тоді як метал, який відновлює (отримує електрони), називається катодом . Загальну реакцію можна представити рівнянням:
\( \textrm{реакція окислення на аноді} + \textrm{реакція відновлення на катоді} = \textrm{чиста клітинна реакція} \)На відміну від гальванічних елементів, електролітичні елементи потребують зовнішнього джерела електрики для ініціювання хімічної реакції. Ці елементи використовуються для таких процесів, як гальванічне покриття та електроліз води. В електролітичній комірці анод — це електрод, де відбувається окислення, а катод — де відбувається відновлення — подібно до гальванічного елемента. Однак ключова відмінність полягає в напрямку потоку електричного струму.
Простий експеримент, що демонструє електролізер, - це електроліз води. При застосуванні зовнішнього струму до води, змішаної з електролітом (наприклад, сіллю), молекули води розкладаються на водень і кисень:
\( 2H_2O(l) \rightarrow 2H_2(g) + O_2(g) \)Ця реакція ілюструє фундаментальний процес електролізу, коли електрика використовується для приводу неспонтанної хімічної реакції.
Основні компоненти електрохімічної комірки включають:
Стандартні електродні потенціали (E°) вимірюються за стандартних умов (298 К, концентрація 1 М і тиск 1 атм), щоб передбачити напрямок окисно-відновної реакції. Чим вище значення E°, тим більша тенденція виду отримувати електрони та зазнавати відновлення. Стандартний потенціал електрода для комірки розраховується за формулою:
\( E^\textrm{клітина}_{\textrm{стандарт}} = E^\textrm{катод}_{\textrm{стандарт}} - E^\textrm{анод}_{\textrm{стандарт}} \)Це рівняння допомагає визначити електродний потенціал усієї клітини, що вказує на її здатність генерувати електричну силу.
Рівняння Нернста забезпечує спосіб обчислення електродного потенціалу електрохімічної комірки в нестандартних умовах. Він враховує концентрацію іонів при різних температурах. Рівняння задається так:
\( E = E^\textrm{°} - \frac{RT}{nF} \ln Q \)де \(E\) — потенціал електрода за нестандартних умов, \(E^\textrm{°}\) — стандартний потенціал електрода, \(R\) — універсальна газова стала (8,314 Дж/(моль·К) )), \(T\) — температура в Кельвінах, \(n\) — кількість молей електронів, що переносяться в реакції, \(F\) — стала Фарадея (96485 Кл/моль) і \(Q\) — коефіцієнт реакції, який є мірою концентрацій реагентів і продуктів.
Для гальванічного елемента, що працює в стандартних умовах, але при різних концентраціях, рівняння Нернста дозволяє розрахувати, як потенціал елемента змінюється з концентрацією. Наприклад, у цинково-мідному гальванічному елементі зміна концентрації іонів \(Zn^{2+}\) або \(Cu^{2+}\) змінить потенціал елемента відповідно до рівняння Нернста.
Електрохімічні елементи мають широкий спектр застосувань, зокрема:
Електрохімічні елементи є основоположними як у практичних, так і в теоретичних аспектах хімії та фізики. Завдяки своїй здатності взаємоперетворювати хімічну та електричну енергію вони виконують безліч ролей у нашому повсякденному житті та промисловому застосуванні. Розуміння основних принципів електрохімічних елементів, таких як окислювально-відновні реакції, потенціал клітини та вплив концентрації та температури на продуктивність клітини, дозволяє нам використовувати й оптимізувати їхні можливості для різних цілей. Застосування електрохімічних елементів підкреслює їх важливість у розвитку технологій і покращенні якості життя, починаючи від живлення портативної електроніки й закінчуючи процесами великомасштабного виробництва.
Дослідження електрохімічних елементів також пропонує захоплююче розуміння ширшої галузі електрохімії, ілюструючи глибокий вплив хімічних реакцій на електричні явища і навпаки. У міру того, як дослідження в цій галузі тривають, ми можемо очікувати подальших інновацій і застосувань, які використовують принципи електрохімії, сприяючи стійким енергетичним рішенням і новим технологіям.
На завершення, чи обговорюємо ми гальванічні елементи, які забезпечують нас портативним джерелом енергії, чи електролітичні елементи, які полегшують важливі хімічні процеси, принципи та застосування електрохімічних елементів є невід’ємною частиною сучасної науки та техніки. Завдяки постійному прогресу та дослідженням потенціал для нових відкриттів і застосувань у цій галузі залишається величезним, що обіцяє захоплюючі розробки в майбутньому.
