Tabla de Contenidos
O celulă electrolitică este un dispozitiv electrochimic în care se consumă energie electrică pentru a conduce o reacție de oxidare -reducere sau redox nespontană. Este opusul unei celule galvanice sau voltaice , care generează energie electrică dintr-o reacție redox spontană.
Multe dintre reacțiile nespontane care au loc în celulele electrolitice implică descompunerea unui compus chimic în elementele sale constitutive sau în substanțe chimice mai simple. Această clasă de procese de liză sau defalcare alimentate electric se numește electroliză, de unde celulele electrolitice își primesc numele.
Celulele electrolitice permit transformarea energiei electrice în energie potențială chimică. Ele formează, de asemenea, baza multor procese metalurgice fără de care societatea așa cum o cunoaștem astăzi nu ar exista.
Celule electrolitice versus celule electrochimice
Un concept legat de celulele electrolitice este cel de celule electrochimice. Există o mică diviziune în jurul conceptului celui din urmă. Unii autori consideră că toate celulele în care o reacție de oxidare-reducere este asociată cu un curent electric între doi electrozi reprezintă o celulă electrochimică, indiferent dacă reacția este spontană sau nu. Privite din acest punct de vedere, celulele electrolitice au fost un tip particular de celulă electrochimică.
Pe de altă parte, un alt grup de autori definește celulele electrochimice ca fiind acelea în care o reacție spontană de oxidare-reducere generează un curent electric. În acest caz, celulele electrolitice ar fi exact opusul celulelor electrochimice.
Indiferent de această dilemă, este clar că ceea ce caracterizează o celulă electrolitică este că implică o reacție redox care nu este spontană și, prin urmare, necesită un aport de energie dintr-o sursă externă pentru a se produce.
Celule, jumătate de celule și jumătate de reacții
După cum sugerează și numele, fiecare reacție de oxidare-reducere implică două procese separate, dar interdependente, oxidarea și reducerea. Oxidarea este pierderea de electroni, în timp ce reducerea este câștigul acestora. Deoarece într-o reacție chimică netă nu pot exista electroni orfani fără un atom pe care să trăiască, oxidarea și reducerea nu pot avea loc una fără cealaltă. Cu toate acestea, nu este obligatoriu ca ambele procese să aibă loc pe același site.
Acest ultim fapt reprezintă rațiunea de a fi a celulelor electrochimice și, de asemenea (sau prin extensie), a celulelor electrolitice. O celulă electrolitică nu este altceva decât un dispozitiv experimental în care procesele de oxidare și reducere ale unei reacții redox sunt separate fizic, dar care permite trecerea electronilor de unde are loc oxidarea până unde are loc reducerea printr-un conductor electric. Compartimentele separate în care au loc aceste semireacții sunt numite semi-celule , iar locația sau suprafața specifică în care are loc fiecare semireacție se numește electrod .
Fiecare celulă electrochimică sau electrolitică este definită de caracteristicile electrozilor, de semireacția particulară care are loc în fiecare dintre ei și de compoziția și concentrația soluțiilor prezente în fiecare semicelulă. În plus, spontaneitatea reacției de oxidare-reducere este determinată de așa-numitul potențial celular (reprezentat ca celulă E ).
Un potențial celular pozitiv implică o reacție spontană, în timp ce dacă este negativă, reacția nu va fi spontană. Prin urmare, putem defini din nou o celulă electrolitică ca fiind una care are un potențial negativ al celulei, care necesită energie electrică pentru a funcționa.
Funcționarea celulelor electrolitice
Următoarea figură prezintă componentele unei celule electrolitice generice tipice.
După cum se poate observa, celula este formată din doi electrozi ( anodul și catodul ) care sunt scufundați într-o soluție de electrolit (care asigură că aceasta conduce electricitatea, închizând circuitul electric) și care sunt conectați și prin intermediul unor conductori electrici. trecând printr-o sursă de curent continuu (cutia gri care este conectată la peretele electric).
Semireacțiile care apar în această celulă electrolitică generică sunt afișate în partea dreaptă a imaginii. După cum se poate observa, potențialul celulei (cel al reacției generale) este negativ, astfel încât electronii (care sunt și negativi) nu au tendința de a curge de la anod la catod.
Cu toate acestea, atunci când sursa de alimentare este pornită, generează o diferență de potențial care contracarează și depășește potențialul celulei, ceea ce determină electronii să se deplaseze prin conductor, provocând apariția reacției de oxidare-reducere.
Prin definiție, într-o celulă electrolitică, anodul este electrodul unde are loc oxidarea și este de obicei reprezentat în stânga. În schimb, catodul este locul unde are loc reducerea și este ilustrat în dreapta, astfel încât electronii curg întotdeauna de la anod la catod.
O modalitate ușoară de a reține acest lucru (în spaniolă) este că „vocalele merg cu vocale și consoanele merg cu consoanele”:
Ánode , Oxidare și stânga încep cu o vocală, așa că toate merg împreună; întrucât Cathode , Reduction și Right încep toate cu o consoană, așa că merg și ele împreună.
Utilizări ale celulelor electrolitice
Ai putea spune că celulele electrolitice sunt esențiale pentru modul nostru modern de viață. Acest lucru se datorează, în primul rând, numeroaselor industrii esențiale care depind în întregime de procesele electrolitice și, în al doilea rând, faptului că ele formează baza capacității noastre de a stoca energie electrică sub formă de energie potențială chimică. Unele dintre cele mai importante aplicații ale celulelor electrolitice sunt:
Producția și purificarea metalelor
Unele dintre cele mai importante metale pentru oameni, cum ar fi aluminiul și cuprul, sunt produse industrial prin intermediul celulelor electrolitice. De asemenea, ele reprezintă una dintre puținele moduri de a obține metale active precum metalele alcaline (litiu, sodiu și potasiu) și unele metale alcalino-pământoase foarte importante precum magneziul.
Producția de halogen
Halogenii precum fluorul și clorul sunt de mare importanță în industria chimică. Sunt reactivi esențiali pentru producerea multor derivați petrolieri precum PVC și Teflon, precum și sunt folosiți în nenumărate procese de sinteză pentru medicamente care salvează vieți în fiecare zi. Sursa principală a acestor halogeni este electroliza sărurilor care conțin ionii lor.
Stocare a energiei
După cum sa menționat mai sus, celulele electrolitice sunt capabile să stocheze energie electrică sub formă de energie chimică. Cel mai tangibil exemplu în acest sens este procesul de încărcare a tuturor bateriilor reîncărcabile. Fără celule electrolitice, bateriile cu litiu care alimentează marea majoritate a dispozitivelor mobile pe care le folosim zilnic nu ar fi reîncărcabile. Electroliza apei stă la baza producerii de hidrogen gazos , care poate fi folosit ca combustibil curat într-o rachetă, cum ar fi Blue Shephard de la Blue Origin , compania aerospațială a lui Jeff Bezos, sau ca sursă de energie electrică în celulele de combustie ale unora. modele de mașini electrice.
Exemple de celule electrolitice
electroliza apei
Electroliza apei se realizează prin trecerea unui curent printr-o soluție de acid sulfuric 0,1 M. Semireacțiile implicate și reacția globală sunt:
Electroliza clorurii de sodiu topit
În clorura de sodiu topită, ionii acționează ca purtători de sarcină care conduc electricitatea. Așa se produce sodiul la nivel industrial.
Referințe
- Halogeni (nd). Revizuit în iulie 2021 la https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/halogenos/fluor
- Celule electrochimice (sf). Revizuit în iulie 2021 la https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/electrochemical-cells/
- Celule electrochimice . (2020, 14 august). Revizuită în iulie 2021 la https://chem.libretexts.org/@go/page/41636
- http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/INTRODUCCIONALAELECTROQUIMICA_22641.pdf
- Convenții privind celulele electrochimice . (2021, 10 aprilie). Revizuită în iulie 2021 la https://chem.libretexts.org/@go/page/291
