Mikä on elektrolyyttikenno?

Elektrolyyttikenno on sähkökemiallinen laite, jossa sähköenergiaa kulutetaan ei-spontaanien hapettumisen pelkistys- tai redox-reaktioon. Se on vastakohta galvaaniselle tai voltaiselle kennolle , joka tuottaa sähköenergiaa spontaanista redox-reaktiosta.

Monet elektrolyysikennoissa tapahtuvat ei-spontaanit reaktiot sisältävät kemiallisen yhdisteen hajoamisen sen alkuaineiksi tai yksinkertaisemmiksi kemiallisiksi aineiksi. Tätä sähkökäyttöisten hajoamis- tai hajoamisprosessien luokkaa kutsutaan elektrolyysiksi, josta elektrolyyttiset solut saavat nimensä.

Elektrolyyttiset kennot mahdollistavat sähköenergian muuntamisen kemialliseksi potentiaalienergiaksi. Ne muodostavat myös perustan monille metallurgisille prosesseille, joita ilman nykyistä yhteiskuntaa ei olisi olemassa.

Elektrolyyttiset kennot vs. sähkökemialliset kennot

Elektrolyyttikennoihin liittyvä käsite on sähkökemiallisten kennojen käsite. Jälkimmäisen käsitteen ympärillä on pieni jako. Jotkut kirjoittajat katsovat, että kaikki kennot, joissa hapetus-pelkistysreaktio liittyy kahden elektrodin väliseen sähkövirtaan, edustavat sähkökemiallista kennoa riippumatta siitä, onko reaktio spontaani vai ei. Tästä näkökulmasta katsottuna elektrolyyttiset kennot ovat olleet erityinen sähkökemiallinen kenno.

Toisaalta toinen kirjoittajaryhmä määrittelee sähkökemialliset kennot sellaisiksi, joissa spontaani hapettumisen pelkistysreaktio synnyttää sähkövirran. Tässä tapauksessa elektrolyyttiset kennot olisivat täysin sähkökemiallisten kennojen vastakohta.

Tästä ongelmasta huolimatta on selvää, että elektrolyyttikennolle on ominaista se, että se sisältää redox-reaktion, joka ei ole spontaani ja vaatii siksi energian syöttämistä ulkoisesta lähteestä tapahtuakseen.

Solut, puolisolut ja puolireaktiot

Kuten nimikin kertoo, jokainen hapetus-pelkistysreaktio sisältää kaksi erillistä mutta toisiinsa liittyvää prosessia, hapettumisen ja pelkistyksen. Hapetus on elektronien menetystä, kun taas pelkistyminen on niiden voittoa. Koska nettokemiallisessa reaktiossa ei voi olla orpoelektroneja ilman atomia, jolla elää, hapettuminen ja pelkistyminen eivät voi tapahtua ilman toisiaan. Ei kuitenkaan ole pakollista, että molemmat prosessit tapahtuvat samassa paikassa.

Tämä viimeinen seikka edustaa sähkökemiallisten kennojen ja myös (tai laajemmin) elektrolyyttisten kennojen olemassaoloa. Elektrolyyttikenno ei ole muuta kuin kokeellinen laite, jossa redox-reaktion hapetus- ja pelkistysprosessit erotetaan fyysisesti, mutta joka mahdollistaa elektronien virtauksen hapettumispaikasta johtimen kautta pelkistymiseen. Erillisiä osastoja, joissa nämä puolireaktiot tapahtuvat, kutsutaan puolisoluiksi , ja tiettyä paikkaa tai pintaa, jossa kukin puolireaktio tapahtuu, kutsutaan elektrodiksi .

Jokainen sähkökemiallinen tai elektrolyyttinen kenno määritellään elektrodien ominaisuuksien, kussakin niistä tapahtuvan erityisen puolireaktion ja kussakin puolikennon liuosten koostumuksen ja pitoisuuden perusteella. Lisäksi hapetus-pelkistysreaktion spontaanisuuden määrää niin kutsuttu solupotentiaali (esitetty E- _soluna ).

Positiivinen solupotentiaali merkitsee spontaania reaktiota, kun taas jos se on negatiivinen, reaktio ei ole spontaani. Siksi voimme jälleen määritellä elektrolyysikenn sellaiseksi, jolla on negatiivinen kennopotentiaali ja joka vaatii sähköenergiaa toimiakseen.

Elektrolyyttikennojen toiminta

Seuraava kuva esittää tyypillisen yleisen elektrolyyttikennon komponentit.

Kuten voidaan nähdä, kenno koostuu kahdesta elektrodista ( anodista ja katodista ), jotka on upotettu elektrolyyttiliuokseen (mikä varmistaa, että se johtaa sähköä ja sulkee sähköpiirin) ja jotka on myös kytketty sähköjohtimien avulla. kulkee tasavirtalähteen läpi (harmaa laatikko, joka on kytketty sähköseinään).

Tässä yleisessä elektrolyyttikennossa tapahtuvat puolireaktiot on esitetty kuvan oikealla puolella. Kuten voidaan nähdä, kennopotentiaali (koko reaktion potentiaali) on negatiivinen, joten elektroneilla (jotka ovat myös negatiivisia) ei ole taipumusta virrata anodilta katodille.

Kuitenkin, kun virtalähde kytketään päälle, se tuottaa potentiaalieron, joka vastustaa ja ylittää kennopotentiaalin, mikä saa elektronit liikkumaan johtimen läpi aiheuttaen hapetus-pelkistysreaktion.

Määritelmän mukaan elektrolyysikennossa anodi on elektrodi, jossa hapettumista tapahtuu, ja se on yleensä esitetty vasemmalla. Sen sijaan katodi on paikka, jossa pelkistys tapahtuu, ja se on kuvassa oikealla, joten elektronit virtaavat aina anodilta katodille.

Helppo tapa muistaa tämä (espanjaksi) on, että ”vokaalit menevät vokaalien kanssa ja konsonantit konsonanttien kanssa”:

Ánode , Oxidation ja vasen alkavat vokaalilla, joten ne kaikki menevät yhteen; kun taas Cathode , Reduction ja Right alkavat kaikki konsonantilla, joten ne sopivat myös yhteen.

Elektrolyyttisten solujen käyttö

Voisi sanoa, että elektrolyyttikennot ovat välttämättömiä nykyaikaiselle elämäntavallemme. Tämä johtuu ensinnäkin monista olennaisista teollisuudenaloista, jotka ovat täysin riippuvaisia ​​elektrolyysiprosesseista, ja toiseksi siitä, että ne muodostavat perustan kyvyllemme varastoida sähköenergiaa kemiallisen potentiaalienergian muodossa. Jotkut elektrolyysikennojen tärkeimmistä sovelluksista ovat:

Metallien valmistus ja puhdistus

Jotkut ihmiselle tärkeimmistä metalleista , kuten alumiini ja kupari, tuotetaan teollisesti elektrolyyttikennojen avulla. Ne ovat myös yksi harvoista tavoista saada aktiivisia metalleja, kuten alkalimetalleja (litium, natrium ja kalium) ja joitain erittäin tärkeitä maa-alkalimetalleja, kuten magnesiumia.

Halogeenin tuotanto

Halogeeneilla, kuten fluorilla ja kloorilla, on suuri merkitys kemianteollisuudessa. Ne ovat välttämättömiä reagensseja monien öljyjohdannaisten, kuten PVC:n ja teflonin, tuotannossa, ja niitä käytetään lukemattomissa synteettisissä prosesseissa lääkkeiden valmistamiseksi, jotka pelastavat ihmishenkiä joka päivä. Näiden halogeenien päälähde on niiden ioneja sisältävien suolojen elektrolyysi.

Energia varasto

Kuten edellä mainittiin, elektrolyyttikennot pystyvät varastoimaan sähköenergiaa kemiallisen energian muodossa. Konkreettisin esimerkki tästä on kaikkien ladattavien akkujen latausprosessi. Ilman elektrolyyttikennoja litiumparistot, jotka antavat virtaa suurimmalle osalle päivittäin käyttämistämme mobiililaitteista, eivät olisi ladattavia. Veden elektrolyysi on perusta kaasumaisen vedyn tuotannolle , jota voidaan käyttää puhtaana polttoaineena raketissa, kuten Blue Originin Blue Shephardissa , Jeff Bezosin ilmailuyhtiössä, tai sähköenergian lähteenä joidenkin polttokennoissa. sähköautojen malleja.

Esimerkkejä elektrolyyttikennoista

veden elektrolyysi

Veden elektrolyysi suoritetaan johtamalla virta 0,1 M rikkihappoliuoksen läpi. Puolireaktiot ja kokonaisreaktio ovat:

Sulan natriumkloridin elektrolyysi

Sulassa natriumkloridissa ionit toimivat varauksenkuljettajina, jotka johtavat sähköä. Näin natriumia tuotetaan teollisella tasolla.

Viitteet

• Halogeenit (nd). Arvioitu heinäkuussa 2021 osoitteessa https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/halogenos/fluor
• Sähkökemialliset kennot (sf). Arvioitu heinäkuussa 2021 osoitteessa https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/electrochemical-cells/
• Sähkökemialliset solut . (2020, 14. elokuuta). Päivitetty heinäkuussa 2021 osoitteessa https://chem.libretexts.org/@go/page/41636
• http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/INTRODUCCIONALAELECTROQUIMICA_22641.pdf
• Sähkökemiallisten solujen yleissopimukset . (2021, 10. huhtikuuta). Päivitetty heinäkuussa 2021 osoitteessa https://chem.libretexts.org/@go/page/291