Vad är en elektrolytisk cell?

En elektrolytisk cell är en elektrokemisk anordning i vilken elektrisk energi förbrukas för att driva en icke-spontan oxidationsreduktion eller redoxreaktion. Det är motsatsen till en galvanisk eller voltaisk cell , som genererar elektrisk energi från en spontan redoxreaktion.

Många av de icke-spontana reaktioner som äger rum i elektrolytiska celler involverar nedbrytning av en kemisk förening till dess beståndsdelar eller till enklare kemiska ämnen. Denna klass av elektriskt drivna lys- eller nedbrytningsprocesser kallas elektrolys, vilket är där elektrolytiska celler får sitt namn.

Elektrolytiska celler tillåter elektrisk energi att omvandlas till kemisk potentiell energi. De utgör också grunden för många metallurgiska processer utan vilka samhället som vi känner det idag inte skulle existera.

Elektrolytiska celler kontra elektrokemiska celler

Ett koncept relaterat till elektrolytiska celler är elektrokemiska celler. Det finns en liten uppdelning kring begreppet det senare. Vissa författare anser att alla celler i vilka en oxidations-reduktionsreaktion är associerad med en elektrisk ström mellan två elektroder representerar en elektrokemisk cell, oavsett om reaktionen är spontan eller inte. Sett ur denna synvinkel har elektrolytiska celler varit en speciell typ av elektrokemiska celler.

Å andra sidan definierar en annan grupp författare elektrokemiska celler som de där en spontan oxidationsreduktionsreaktion genererar en elektrisk ström. I detta fall skulle elektrolytiska celler vara raka motsatsen till elektrokemiska celler.

Oavsett detta dilemma är det tydligt att det som kännetecknar en elektrolytisk cell är att den involverar en redoxreaktion som inte är spontan, och därför kräver tillförsel av energi från en extern källa för att uppstå.

Celler, halva celler och halva reaktioner

Som namnet antyder involverar varje oxidations-reduktionsreaktion två separata men relaterade processer, oxidation och reduktion. Oxidation är förlusten av elektroner medan reduktion är vinsten av dem. Eftersom det i en kemisk nettoreaktion inte kan finnas några föräldralösa elektroner utan en atom att leva på, kan oxidation och reduktion inte ske utan varandra. Det är dock inte obligatoriskt att båda processerna sker på samma plats.

Detta sista faktum representerar existensberättigandet för elektrokemiska celler och även (eller i förlängningen) för elektrolytiska celler. En elektrolytisk cell är inget annat än en experimentell anordning där oxidations- och reduktionsprocesserna i en redoxreaktion är fysiskt separerade, men som tillåter flödet av elektroner från där oxidation sker till där reduktion sker genom en elektrisk ledare. De separata avdelningarna där dessa halvreaktioner äger rum kallas halvceller , och den specifika platsen eller ytan där varje halvreaktion sker kallas en elektrod .

Varje elektrokemisk eller elektrolytisk cell definieras av elektrodernas egenskaper, av den speciella halvreaktion som sker i var och en av dem och av sammansättningen och koncentrationen av lösningarna som finns i varje halvcell. Dessutom bestäms spontaniteten hos oxidations-reduktionsreaktionen av den så kallade cellpotentialen (representerad som E- _cell ).

En positiv cellpotential innebär en spontan reaktion, medan om den är negativ kommer reaktionen inte att vara spontan. Därför kan vi återigen definiera en elektrolytisk cell som en som har en negativ cellpotential, vilket kräver elektrisk energi för att fungera.

Drift av elektrolytiska celler

Följande figur visar komponenterna i en typisk generisk elektrolytisk cell.

Som kan ses består cellen av två elektroder ( anoden och katoden ) som är nedsänkta i en elektrolytlösning (som säkerställer att den leder elektricitet, sluter den elektriska kretsen) och som också är sammankopplade med hjälp av elektriska ledare passerar genom en likströmskälla (den grå lådan som är ansluten till den elektriska väggen).

Halvereaktionerna som inträffar i denna generiska elektrolytiska cell visas på höger sida av bilden. Som kan ses är cellpotentialen (den för den totala reaktionen) negativ, så elektroner (som också är negativa) har inte en tendens att strömma från anoden till katoden.

Men när strömkällan slås på genererar den en potentialskillnad som motverkar och överstiger cellpotentialen, vilket får elektronerna att röra sig genom ledaren, vilket gör att oxidations-reduktionsreaktionen inträffar.

Per definition, i en elektrolytisk cell, är anoden elektroden där oxidation sker och är vanligtvis representerad till vänster. Istället är katoden där reduktionen sker och visas till höger, så elektroner strömmar alltid från anoden till katoden.

Ett enkelt sätt att komma ihåg detta (på spanska) är att ”vokaler går med vokaler och konsonanter går med konsonanter”:

Ánode , Oxidation och vänster börjar med en vokal, så de går alla ihop; medan Cathode , Reduction och Right alla börjar med en konsonant, så de går också ihop.

Användning av elektrolytiska celler

Man kan säga att elektrolytiska celler är avgörande för vårt moderna sätt att leva. Detta beror dels på de många viktiga industrier som är helt beroende av elektrolytiska processer, dels på att de utgör grunden för vår förmåga att lagra elektrisk energi i form av kemisk potentiell energi. Några av de viktigaste tillämpningarna av elektrolytiska celler är:

Tillverkning och rening av metaller

Några av de viktigaste metallerna för människor, som aluminium och koppar, tillverkas industriellt med hjälp av elektrolytiska celler. De representerar också ett av få sätt att erhålla aktiva metaller som alkalimetaller (litium, natrium och kalium) och några mycket viktiga alkaliska jordartsmetaller som magnesium.

Halogenproduktion

Halogener som fluor och klor har stor betydelse inom den kemiska industrin. De är viktiga reagenser för produktionen av många petroleumderivat som PVC och teflon, samt används i otaliga syntetiska processer för läkemedel som räddar liv varje dag. Huvudkällan till dessa halogener är elektrolysen av salter som innehåller deras joner.

Energilagring

Som nämnts ovan är elektrolytiska celler kapabla att lagra elektrisk energi i form av kemisk energi. Det mest påtagliga exemplet på detta är laddningsprocessen för alla uppladdningsbara batterier. Utan elektrolytiska celler skulle litiumbatterierna som driver de allra flesta mobila enheter vi använder varje dag inte vara uppladdningsbara. Elektrolysen av vatten är grunden för produktionen av gasformigt väte , som kan användas som rent bränsle i en raket som Blue Origins Blue Shephard , Jeff Bezos flygbolag, eller som en källa till elektrisk energi i bränslecellerna hos vissa modeller av elbilar.

Exempel på elektrolytiska celler

elektrolys av vatten

Elektrolysen av vatten utförs genom att leda en ström genom en 0,1 M svavelsyralösning. Halvereaktionerna och den totala reaktionen är:

Elektrolys av smält natriumklorid

I smält natriumklorid fungerar jonerna som laddningsbärare som leder elektricitet. Det är så natrium framställs på industriell nivå.

Referenser

• Halogener (nd). Recenserad i juli 2021 på https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/halogenos/fluor
• Elektrokemiska celler (sf). Recenserad juli 2021 på https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/electrochemical-cells/
• Elektrokemiska celler . (2020, 14 augusti). Reviderad juli 2021 på https://chem.libretexts.org/@go/page/41636
• http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/INTRODUCCIONALAELECTROQUIMICA_22641.pdf
• Elektrokemiska cellkonventioner . (2021, 10 april). Reviderad juli 2021 på https://chem.libretexts.org/@go/page/291