เซลล์อิเล็กโทรไลต์คืออะไร?

เซลล์อิเล็กโทรไลต์เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีที่ใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยารีดักชันออกซิเดชันหรือรีดอกซ์ ที่ไม่ได้เกิดขึ้นเอง เป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกับเซลล์กัลวานิกหรือโวลตาอิกซึ่งสร้างพลังงานไฟฟ้าจากปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นเอง

ปฏิกิริยาที่ไม่เกิดขึ้นเองหลายอย่างที่เกิดขึ้นในเซลล์อิเล็กโทรไลต์เกี่ยวข้องกับการแตกตัวของสารเคมีเป็นองค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบหรือเป็นสารเคมีที่ง่ายกว่า กระบวนการสลายหรือการสลายด้วยพลังงานไฟฟ้าระดับนี้เรียกว่าอิเล็กโทรไลซิส ซึ่งเป็นที่มาของชื่อเซลล์อิเล็กโทรไลต์

เซลล์อิเล็กโทรไลต์ช่วยให้พลังงานไฟฟ้าถูกแปลงเป็นพลังงานศักย์เคมี พวกเขายังเป็นพื้นฐานของกระบวนการทางโลหะวิทยามากมายโดยปราศจากสังคมอย่างที่เราทราบกันดีในทุกวันนี้

เซลล์อิเล็กโทรไลต์กับเซลล์ไฟฟ้าเคมี

แนวคิดที่เกี่ยวข้องกับเซลล์อิเล็กโทรไลต์คือเซลล์ไฟฟ้าเคมี มีการแบ่งส่วนเล็กน้อยตามแนวคิดของหลัง ผู้เขียนบางคนพิจารณาว่าเซลล์ทั้งหมดที่ปฏิกิริยารีดักชันออกซิเดชันเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้วเป็นตัวแทนของเซลล์ไฟฟ้าเคมี โดยไม่คำนึงว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเองหรือไม่ จากมุมมองนี้ เซลล์อิเล็กโทรไลต์เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีชนิดหนึ่ง

ในทางกลับกัน ผู้เขียนอีกกลุ่มหนึ่งนิยามเซลล์ไฟฟ้าเคมีว่าเป็นเซลล์ที่ ปฏิกิริยารีดักชันออกซิเดชัน ที่เกิดขึ้นเองทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ในกรณีนี้ เซลล์อิเล็กโทรไลต์จะตรงกันข้ามกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี

โดยไม่คำนึงถึงภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกนี้เป็นที่ชัดเจนว่าลักษณะเฉพาะของเซลล์อิเล็กโทรไลต์คือเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ไม่ได้เกิดขึ้นเอง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องได้รับพลังงานจากแหล่งภายนอกเพื่อให้เกิดขึ้น

เซลล์ ครึ่งเซลล์ และครึ่งปฏิกิริยา

ตามชื่อของมัน ทุกๆ ปฏิกิริยาออกซิเดชั่น-รีดักชันเกี่ยวข้องกับสองกระบวนการที่แยกจากกันแต่สัมพันธ์กัน นั่นคือ ออกซิเดชันและรีดักชัน ออกซิเดชันคือการสูญเสียอิเล็กตรอนในขณะที่การลดลงคือการได้รับ เนื่องจากในปฏิกิริยาเคมีสุทธิ จะไม่มีออร์แฟนอิเลคตรอนที่ไม่มีอะตอมอาศัยอยู่ ปฏิกิริยาออกซิเดชันและการรีดักชันจึงไม่สามารถเกิดขึ้นได้หากไม่มีกันและกัน อย่างไรก็ตาม ไม่จำเป็นว่ากระบวนการทั้งสองจะเกิดขึ้นที่ไซต์เดียวกัน

ข้อเท็จจริงสุดท้ายนี้แสดงถึงเซลล์ไฟฟ้าเคมีและ (หรือขยาย) ของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ด้วย เซลล์อิเล็กโทรไลต์ไม่มีอะไรมากไปกว่าอุปกรณ์ทดลองที่กระบวนการออกซิเดชันและรีดักชันของปฏิกิริยารีดอกซ์ถูกแยกออกจากกันจริง ๆ แต่ช่วยให้การไหลของอิเล็กตรอนจากจุดที่เกิดออกซิเดชันไปยังจุดที่เกิดรีดักชันผ่านตัวนำไฟฟ้า ช่องที่แยกจากกันซึ่งเกิดครึ่งปฏิกิริยาเหล่านี้เรียกว่าครึ่งเซลล์และตำแหน่งหรือพื้นผิวเฉพาะที่ซึ่งแต่ละครึ่งปฏิกิริยาเกิดขึ้นเรียกว่าอิเล็กโทรด

เซลล์ไฟฟ้าเคมีหรือเซลล์อิเล็กโทรลีติคทุกเซลล์ถูกกำหนดโดยคุณลักษณะของอิเล็กโทรด โดยครึ่งปฏิกิริยาเฉพาะที่เกิดขึ้นในแต่ละเซลล์ และโดยองค์ประกอบและความเข้มข้นของสารละลายที่มีอยู่ในครึ่งเซลล์แต่ละเซลล์ นอกจากนี้ ความเป็นธรรมชาติของปฏิกิริยารีดักชันออกซิเดชันถูกกำหนดโดยศักยภาพของเซลล์ที่เรียกว่า (แสดงเป็น_{เซลล์} E )

ศักยภาพของเซลล์ที่เป็นบวกบ่งบอกถึงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเอง ในขณะที่หากเป็นค่าลบ ปฏิกิริยาจะไม่เกิดขึ้นเอง ดังนั้น เราสามารถกำหนดเซลล์อิเล็กโทรไลต์ได้อีกครั้งว่าเป็นเซลล์ที่มีศักยภาพเป็นลบ ซึ่งต้องใช้พลังงานไฟฟ้าในการทำงาน

การทำงานของเซลล์อิเล็กโทรไลต์

รูปต่อไปนี้แสดงส่วนประกอบของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ทั่วไปทั่วไป

อย่างที่เห็น เซลล์ประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองขั้ว ( แอโนดและแคโทด ) ที่จมอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ (ซึ่งทำให้แน่ใจว่านำไฟฟ้าได้ ปิดวงจรไฟฟ้า) และเชื่อมต่อกันด้วยตัวนำไฟฟ้า ผ่านแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง (กล่องสีเทา ที่ต่อกับผนังไฟฟ้า)

ครึ่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ทั่วไปนี้แสดงอยู่ทางด้านขวาของภาพ ดังที่เห็นได้ว่า ศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ (ของปฏิกิริยาทั้งหมด) เป็นลบ ดังนั้นอิเล็กตรอน (ซึ่งเป็นขั้วลบด้วย) จึงไม่มีแนวโน้มที่จะไหลจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ

อย่างไรก็ตาม เมื่อเปิดแหล่งพลังงาน มันจะเกิดความต่างศักย์ที่ต่อต้านและเกินศักยภาพของเซลล์ ซึ่งกระตุ้นให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านตัวนำ ทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันขึ้น

ตามคำนิยาม ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ แอโนดคืออิเล็กโทรดที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน และมักจะแสดงทางด้านซ้าย แคโทดคือจุดที่เกิดการรีดักชันและแสดงภาพทางด้านขวา ดังนั้นอิเล็กตรอนจะไหลจากขั้วบวกไปยังขั้วลบเสมอ

วิธีง่ายๆ ในการจำสิ่งนี้ (ในภาษาสเปน) คือ “สระไปพร้อมกับสระและพยัญชนะไปพร้อมกับพยัญชนะ”:

Ánode , Oxidationและซ้ายเริ่มต้นด้วยสระดังนั้นพวกเขาทั้งหมดจึงไปด้วยกัน ในขณะที่Cathode , ReductionและRightล้วนขึ้นต้นด้วยพยัญชนะ ดังนั้นจึงไปด้วยกันได้

การใช้เซลล์อิเล็กโทรไลต์

อาจกล่าวได้ว่าเซลล์อิเล็กโทรไลต์มีความสำคัญต่อวิถีชีวิตสมัยใหม่ของเรา นี่เป็นสาเหตุประการแรกสำหรับอุตสาหกรรมที่สำคัญจำนวนมากที่ต้องพึ่งพากระบวนการอิเล็กโทรไลติคทั้งหมด และประการที่สอง เนื่องจากความจริงที่ว่ากระบวนการเหล่านี้สร้างพื้นฐานของความสามารถของเราในการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าในรูปของพลังงานศักย์เคมี การใช้งานที่สำคัญที่สุดของเซลล์อิเล็กโทรไลต์คือ:

การผลิตและการทำให้บริสุทธิ์ของโลหะ

โลหะที่สำคัญที่สุดบางชนิดสำหรับมนุษย์ เช่น อะลูมิเนียมและทองแดง ผลิตขึ้นในเชิงอุตสาหกรรมโดยใช้เซลล์อิเล็กโทรไลต์ นอกจากนี้ยังเป็นหนึ่งในไม่กี่วิธีที่จะได้โลหะแอกทีฟ เช่น โลหะอัลคาไล (ลิเธียม โซเดียม และโพแทสเซียม) และโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธที่สำคัญมาก บางชนิด เช่น แมกนีเซียม

การผลิตฮาโลเจน

ฮาโลเจน เช่น ฟลูออรีนและคลอรีนมีความสำคัญอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมเคมี เป็นสารรีเอเจนต์ที่จำเป็นสำหรับการผลิตอนุพันธ์ของปิโตรเลียมหลายชนิด เช่น PVC และ Teflon รวมถึงใช้ในกระบวนการสังเคราะห์นับไม่ถ้วนสำหรับยาที่ช่วยชีวิตทุกวัน แหล่งที่มาหลักของฮาโลเจนเหล่านี้คือการอิเล็กโทรไลซิสของเกลือที่มีไอออน

การจัดเก็บพลังงาน

เซลล์อิเล็กโทรไลต์สามารถกักเก็บพลังงานไฟฟ้าในรูปของพลังงานเคมีได้ ตัวอย่างที่จับต้องได้ที่สุดคือกระบวนการชาร์จของแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ทั้งหมด หากไม่มีเซลล์อิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่ลิเธียมที่จ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์เคลื่อนที่ส่วนใหญ่ที่เราใช้ทุกวันจะไม่สามารถชาร์จใหม่ได้ อิเล็กโทรลิซิสของน้ำเป็นพื้นฐานสำหรับการผลิต แก๊ส ไฮโดรเจนซึ่งสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสะอาดในจรวดได้ เช่นBlue Shephard ของ Blue Origin , บริษัทการบินและอวกาศของ Jeff Bezos หรือเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงของบางแห่ง รูปแบบของรถยนต์ไฟฟ้า

ตัวอย่างของเซลล์อิเล็กโทรไลต์

อิเล็กโทรไลซิสของน้ำ

อิเล็กโทรลิซิสของน้ำดำเนินการโดยการส่งกระแสผ่านสารละลายกรดซัลฟิวริก 0.1 M ครึ่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องและปฏิกิริยาโดยรวมคือ:

อิเล็กโทรไลซิสของโซเดียมคลอไรด์หลอมเหลว

ในโซเดียมคลอไรด์ที่หลอมเหลวไอออนจะทำหน้าที่เป็นพาหะนำไฟฟ้า นี่คือวิธีการผลิตโซเดียมในระดับอุตสาหกรรม

อ้างอิง

• ฮาโลเจน (น.). ตรวจสอบในเดือนกรกฎาคม 2021 ที่https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/halogenos/fluor
• เซลล์ไฟฟ้าเคมี (sf). ทบทวนเมื่อเดือนกรกฎาคม 2021 ที่https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/electrochemical-cells/
• เซลล์ไฟฟ้าเคมี . (2563, 14 สิงหาคม). แก้ไขเมื่อเดือนกรกฎาคม 2021 ที่https://chem.libretexts.org/@go/page/41636
• http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/INTRODUCCIONALAELECTROQUIMICA_22641.pdf
• อนุสัญญาเซลล์ไฟฟ้าเคมี . (2564, 10 เมษายน). แก้ไขเมื่อเดือนกรกฎาคม 2021 ที่https://chem.libretexts.org/@go/page/291