Tabla de Contenidos
Az elektrolitikus cella olyan elektrokémiai berendezés, amelyben elektromos energiát használnak fel egy nem spontán oxidációs redukció vagy redox reakció elindítására . Ellentéte a galván- vagy voltacellának , amely spontán redoxreakcióból termel elektromos energiát.
Az elektrolitikus cellákban lezajló nem spontán reakciók közül sok egy kémiai vegyületnek alkotóelemekre vagy egyszerűbb kémiai anyagokra bomlásával jár. Az elektromos hajtású lízis vagy lebontási folyamatok ezen osztályát elektrolízisnek nevezik, innen kapták az elektrolitikus cellák a nevüket.
Az elektrolitikus cellák lehetővé teszik az elektromos energia kémiai potenciális energiává történő átalakítását. Számos kohászati folyamat alapját képezik, amelyek nélkül a mai társadalom nem létezne.
Elektrolitikus cellák versus elektrokémiai cellák
Az elektrolitikus cellákhoz kapcsolódó fogalom az elektrokémiai cellák fogalma. Ez utóbbi fogalma körül van egy kis megosztottság. Egyes szerzők úgy vélik, hogy minden olyan cella, amelyben oxidációs-redukciós reakció kapcsolódik két elektród közötti elektromos áramhoz, elektrokémiai cellát jelent, függetlenül attól, hogy a reakció spontán vagy sem. Ebből a szempontból az elektrolitikus cellák az elektrokémiai cellák egy sajátos típusát képezik.
Másrészt a szerzők egy másik csoportja az elektrokémiai cellákat olyanként határozza meg, amelyekben egy spontán oxidációs redukciós reakció elektromos áramot generál. Ebben az esetben az elektrolitikus cellák pontosan az elektrokémiai cellák ellentétei lennének.
Ettől a dilemmától függetlenül egyértelmű, hogy az elektrolitikus cellát az jellemzi, hogy redoxreakcióval jár, amely nem spontán, és ezért külső forrásból származó energiabevitelt igényel.
Sejtek, félsejtek és félreakciók
Ahogy a neve is sugallja, minden oxidációs-redukciós reakció két különálló, de egymással összefüggő folyamatot foglal magában, az oxidációt és a redukciót. Az oxidáció az elektronok elvesztése, míg a redukció az elektronok növekedése. Mivel egy nettó kémiai reakcióban nem létezhetnek árva elektronok atom nélkül, amelyen megélhetne, az oxidáció és a redukció egymás nélkül nem mehet végbe. Azonban nem kötelező, hogy mindkét folyamat ugyanazon a helyen történjen.
Ez utóbbi tény az elektrokémiai cellák és (vagy kiterjesztve) az elektrolitikus cellák létjogosultságát jelenti. Az elektrolitikus cella nem más, mint egy kísérleti berendezés, amelyben a redox reakció oxidációs és redukciós folyamatai fizikailag el vannak választva, de amely lehetővé teszi az elektronok áramlását onnan, ahol az oxidáció megtörténik, ahol a redukció egy vezetőn keresztül történik. Azokat a különálló részeket, ahol ezek a félreakciók végbemennek, félcelláknak nevezzük , és azt a helyet vagy felületet, ahol minden félreakció bekövetkezik, elektródának nevezzük .
Minden elektrokémiai vagy elektrolitikus cellát az elektródák jellemzői, a bennük fellépő sajátos félreakció, valamint az egyes félcellákban lévő oldatok összetétele és koncentrációja határoz meg. Továbbá az oxidációs-redukciós reakció spontaneitását az ún. sejtpotenciál határozza meg (amelyet E sejtként ábrázolunk ) .
A pozitív sejtpotenciál spontán reakciót jelent, míg ha negatív, akkor a reakció nem lesz spontán. Ezért az elektrolitikus cellát ismét úgy definiálhatjuk, mint ami negatív cellapotenciállal rendelkezik, aminek működéséhez elektromos energia szükséges.
Elektrolitikus cellák működése
Az alábbi ábra egy tipikus általános elektrolitikus cella alkatrészeit mutatja be.
Mint látható, a cella két elektródából áll ( az anódból és a katódból ), amelyeket elektrolit oldatba merítenek (ami biztosítja az elektromos áram vezetését, lezárva az elektromos áramkört), és amelyeket szintén elektromos vezetők kötnek össze. egyenáramú forráson (a szürke dobozon, amely az elektromos falhoz csatlakozik).
Az ebben az általános elektrolitikus cellában fellépő félreakciók a kép jobb oldalán láthatók. Amint látható, a cella potenciálja (a teljes reakcióé) negatív, így az elektronok (amelyek szintén negatívak) nem hajlamosak az anódról a katódra áramolni.
Az áramforrás bekapcsolásakor azonban potenciálkülönbséget generál, amely ellensúlyozza és meghaladja a cellapotenciált, ami arra készteti az elektronokat, hogy áthaladjanak a vezetőn, ami oxidációs-redukciós reakciót idéz elő.
Definíció szerint egy elektrolitikus cellában az anód az az elektród, ahol az oxidáció megtörténik, és általában a bal oldalon van ábrázolva. Ehelyett a katódon történik a redukció, és a jobb oldalon látható, így az elektronok mindig az anódról áramlanak a katódra.
Könnyen megjegyezhetjük ezt (spanyolul), hogy „a magánhangzók magánhangzókkal járnak, a mássalhangzók pedig a mássalhangzókkal”:
Ánode , Oxidation és left magánhangzóval kezdődnek, így együtt járnak; míg a Cathode , a Reduction és a Right mind mássalhangzóval kezdődik, így együtt is járnak.
Az elektrolitikus cellák felhasználása
Mondhatnánk, hogy az elektrolitikus cellák nélkülözhetetlenek modern életvitelünkhöz. Ez egyrészt annak a számos alapvető iparágnak köszönhető, amelyek teljes mértékben az elektrolitikus folyamatoktól függenek, másrészt annak a ténynek, hogy ezek képezik az alapját annak, hogy képesek vagyunk elektromos energiát kémiai potenciálenergia formájában tárolni. Az elektrolitikus cellák legfontosabb alkalmazásai a következők:
Fémek előállítása és tisztítása
Az emberek számára legfontosabb fémek közül néhányat , például az alumíniumot és a rezet, iparilag állítják elő elektrolitikus cellák segítségével. Emellett azon kevés módok egyikét jelentik, amelyekkel aktív fémeket, például alkálifémeket (lítium, nátrium és kálium) és néhány nagyon fontos alkáliföldfémet, például magnéziumot nyernek.
Halogén gyártás
A halogének, például a fluor és a klór nagy jelentőséggel bírnak a vegyiparban. Ezek nélkülözhetetlen reagensek számos kőolajszármazék, például PVC és teflon előállításához, valamint számtalan szintetikus eljárásban használatosak olyan gyógyszerek előállításához, amelyek mindennap életet mentenek. E halogének fő forrása az ionjaikat tartalmazó sók elektrolízise.
Energia tároló
Mint fentebb említettük, az elektrolitikus cellák képesek elektromos energiát kémiai energia formájában tárolni. Ennek legkézzelfoghatóbb példája az összes újratölthető akkumulátor töltési folyamata. Elektrolit cellák nélkül nem lennének újratölthetők a lítium akkumulátorok, amelyek a nap mint nap használt mobileszközök túlnyomó részét táplálják. A víz elektrolízise az alapja a gáznemű hidrogén előállításának , amely tiszta üzemanyagként használható fel egy rakétában, mint például a Blue Origin Blue Shephard , Jeff Bezos repülőgép-ipari vállalata, vagy elektromos energiaforrásként egyes országok üzemanyagcelláiban. elektromos autók modelljei.
Példák elektrolitikus cellákra
víz elektrolízise
A víz elektrolízise 0,1 M kénsavoldatban áramot vezetve történik. A félreakciók és a teljes reakció:
Olvadt nátrium-klorid elektrolízise
Az olvadt nátrium-kloridban az ionok az elektromosságot vezető töltéshordozókként működnek. Ipari szinten így állítják elő a nátriumot.
Hivatkozások
- Halogének (nd). Áttekintve 2021 júliusában a https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/halogenos/fluor oldalon
- Elektrokémiai cellák (sf). Értékelve: 2021. július: https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/electrochemical-cells/
- Elektrokémiai cellák . (2020, augusztus 14.). Felülvizsgálva 2021 júliusában: https://chem.libretexts.org/@go/page/41636
- http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/INTRODUCCIONALAELECTROQUIMICA_22641.pdf
- Elektrokémiai cellakonvenciók . (2021, április 10.). Felülvizsgálva 2021 júliusában: https://chem.libretexts.org/@go/page/291
