Tabla de Contenidos
Pin điện phân là một thiết bị điện hóa trong đó năng lượng điện được tiêu thụ để thúc đẩy quá trình oxy hóa khử hoặc phản ứng oxy hóa khử không tự phát. Nó ngược lại với pin điện hoặc pin volta , tạo ra năng lượng điện từ phản ứng oxi hóa khử tự phát.
Nhiều phản ứng không tự phát diễn ra trong các tế bào điện phân liên quan đến sự phân hủy hợp chất hóa học thành các nguyên tố cấu thành của nó hoặc thành các chất hóa học đơn giản hơn. Loại quá trình phân giải hoặc phân hủy chạy bằng điện này được gọi là điện phân, đó là nơi các tế bào điện phân được đặt tên.
Các tế bào điện phân cho phép năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng hóa học. Chúng cũng là cơ sở của nhiều quy trình luyện kim mà nếu không có nó thì xã hội như chúng ta biết ngày nay sẽ không tồn tại.
Tế bào điện phân so với tế bào điện hóa
Một khái niệm liên quan đến tế bào điện phân là tế bào điện hóa. Có một sự phân chia nhỏ xung quanh khái niệm về cái sau. Một số tác giả cho rằng tất cả các tế bào trong đó xảy ra phản ứng oxy hóa – khử với dòng điện giữa hai điện cực đều đại diện cho một tế bào điện hóa, bất kể phản ứng có tự phát hay không. Nhìn từ quan điểm này, tế bào điện phân là một loại tế bào điện hóa đặc biệt.
Mặt khác, một nhóm tác giả khác định nghĩa tế bào điện hóa là tế bào trong đó phản ứng khử oxy hóa tự phát tạo ra dòng điện. Trong trường hợp này, tế bào điện phân sẽ ngược lại với tế bào điện hóa.
Bất chấp tình trạng tiến thoái lưỡng nan này, rõ ràng điều đặc trưng cho tế bào điện phân là nó liên quan đến phản ứng oxi hóa khử không tự phát và do đó cần có năng lượng đầu vào từ nguồn bên ngoài để xảy ra.
Tế bào, nửa tế bào và nửa phản ứng
Đúng như tên gọi của nó, mọi phản ứng oxi hóa – khử đều bao gồm hai quá trình riêng biệt nhưng có liên quan với nhau, đó là quá trình oxi hóa và khử. Quá trình oxy hóa là sự mất điện tử trong khi quá trình khử là mức tăng của chúng. Vì trong một phản ứng hóa học ròng, không thể có electron mồ côi mà không có nguyên tử sống, nên quá trình oxy hóa và khử không thể xảy ra mà không có nhau. Tuy nhiên, không bắt buộc cả hai quá trình xảy ra tại cùng một địa điểm.
Thực tế cuối cùng này đại diện cho lý do tồn tại của các tế bào điện hóa và cũng (hoặc bằng cách mở rộng), của các tế bào điện phân. Một tế bào điện phân không gì khác hơn là một thiết bị thí nghiệm trong đó các quá trình oxy hóa và khử của phản ứng oxi hóa khử được tách biệt về mặt vật lý, nhưng cho phép dòng điện tử từ nơi xảy ra quá trình oxy hóa đến nơi xảy ra quá trình khử thông qua một dây dẫn điện. Các ngăn riêng biệt nơi diễn ra các nửa phản ứng này được gọi là nửa ô và vị trí hoặc bề mặt cụ thể nơi xảy ra từng nửa phản ứng được gọi là điện cực .
Mỗi tế bào điện hóa hoặc điện phân được xác định bởi các đặc tính của các điện cực, bởi một nửa phản ứng cụ thể xảy ra trong mỗi chúng và bởi thành phần và nồng độ của các dung dịch có trong mỗi nửa tế bào. Hơn nữa, tính tự phát của phản ứng oxy hóa-khử được xác định bởi cái gọi là điện thế tế bào (được biểu thị là tế bào E ).
Điện thế tế bào dương nghĩa là một phản ứng tự phát, trong khi nếu nó âm tính, phản ứng sẽ không tự phát. Do đó, một lần nữa chúng ta có thể định nghĩa tế bào điện phân là tế bào có điện thế tế bào âm, cần năng lượng điện để hoạt động.
Hoạt động của tế bào điện phân
Hình dưới đây cho thấy các thành phần của một tế bào điện phân chung điển hình.
Có thể thấy, tế bào được tạo thành từ hai điện cực ( cực dương và cực âm ) được đặt chìm trong dung dịch điện phân (đảm bảo dẫn điện, đóng mạch điện) và cũng được nối với nhau bằng dây dẫn điện. đi qua nguồn điện một chiều (hộp màu xám nối với tường điện).
Các bán phản ứng xảy ra trong tế bào điện phân chung này được hiển thị ở phía bên phải của hình ảnh. Như có thể thấy, điện thế tế bào (của toàn bộ phản ứng) là âm, vì vậy các electron (cũng là điện thế âm) không có xu hướng di chuyển từ cực dương sang cực âm.
Tuy nhiên, khi bật nguồn điện, nó sẽ tạo ra một hiệu điện thế chống lại và vượt quá điện thế của tế bào, khiến các electron di chuyển qua vật dẫn, gây ra phản ứng oxy hóa – khử.
Theo định nghĩa, trong một tế bào điện phân, cực dương là điện cực xảy ra quá trình oxy hóa và thường được biểu diễn ở bên trái. Thay vào đó, cực âm là nơi xảy ra quá trình khử và được hình bên phải, do đó, các electron luôn chảy từ cực dương sang cực âm.
Một cách dễ dàng để ghi nhớ điều này (bằng tiếng Tây Ban Nha) là “nguyên âm đi với nguyên âm và phụ âm đi với phụ âm”:
Ánode , Oxidation và left bắt đầu bằng một nguyên âm nên chúng đi cùng nhau; trong khi Cathode , Reduction và Right đều bắt đầu bằng một phụ âm nên chúng cũng đi cùng nhau.
Sử dụng tế bào điện phân
Bạn có thể nói rằng các tế bào điện phân rất cần thiết cho lối sống hiện đại của chúng ta. Điều này trước hết là do nhiều ngành công nghiệp thiết yếu phụ thuộc hoàn toàn vào các quá trình điện phân, và thứ hai là do chúng tạo cơ sở cho khả năng lưu trữ năng lượng điện của chúng ta dưới dạng thế năng hóa học. Một số ứng dụng quan trọng nhất của tế bào điện phân là:
Sản xuất và tinh chế kim loại
Một số kim loại quan trọng nhất đối với con người, chẳng hạn như nhôm và đồng, được sản xuất công nghiệp bằng các tế bào điện phân. Chúng cũng đại diện cho một trong số ít cách để thu được các kim loại hoạt động như kim loại kiềm (lithium, natri và kali) và một số kim loại kiềm thổ rất quan trọng như magiê.
sản xuất halogen
Các halogen như flo và clo có tầm quan trọng lớn trong ngành hóa chất. Chúng là thuốc thử thiết yếu để sản xuất nhiều dẫn xuất dầu mỏ như PVC và Teflon, cũng như được sử dụng trong vô số quy trình tổng hợp thuốc cứu sống mỗi ngày. Nguồn chính của các halogen này là quá trình điện phân muối chứa các ion của chúng.
lưu trữ năng lượng
Như đã đề cập ở trên, các tế bào điện phân có khả năng lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng hóa học. Ví dụ rõ ràng nhất về điều này là quá trình sạc của tất cả các loại pin sạc. Nếu không có tế bào điện phân, pin lithium cung cấp năng lượng cho phần lớn các thiết bị di động mà chúng ta sử dụng hàng ngày sẽ không thể sạc lại được. Quá trình điện phân nước là cơ sở để sản xuất khí hydro , có thể được sử dụng làm nhiên liệu sạch trong tên lửa như Blue Shephard của Blue Origin , công ty hàng không vũ trụ của Jeff Bezos, hoặc làm nguồn năng lượng điện trong pin nhiên liệu của một số động cơ. các mẫu xe điện.
Ví dụ về tế bào điện phân
điện phân nước
Quá trình điện phân nước được thực hiện bằng cách cho dòng điện chạy qua dung dịch axit sunfuric 0,1 M. Các nửa phản ứng xảy ra và toàn bộ phản ứng là:
Điện phân natri clorua nóng chảy
Trong natri clorua nóng chảy, các ion đóng vai trò là hạt tải điện dẫn điện. Đây là cách natri được sản xuất ở cấp độ công nghiệp.
Người giới thiệu
- Các halogen (nd). Được đánh giá vào tháng 7 năm 2021 tại https://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/halogenos/fluor
- Tế bào điện hóa (sf). Được đánh giá vào tháng 7 năm 2021 tại https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemology/chapter/electrochemical-cells/
- Tế bào điện hóa . (2020, ngày 14 tháng 8). Sửa đổi vào tháng 7 năm 2021 tại https://chem.libretexts.org/@go/page/41636
- http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/INTRODUCCIONALAELECTROQUIMICA_22641.pdf
- Công ước tế bào điện hóa . (2021, ngày 10 tháng 4). Sửa đổi vào tháng 7 năm 2021 tại https://chem.libretexts.org/@go/page/291
