Τι είναι ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο;

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή στην οποία καταναλώνεται ηλεκτρική ενέργεια για να οδηγήσει σε μια μη αυθόρμητη αντίδραση οξείδωσης ή οξειδοαναγωγής. Είναι το αντίθετο ενός γαλβανικού ή βολταϊκού στοιχείου , το οποίο παράγει ηλεκτρική ενέργεια από μια αυθόρμητη αντίδραση οξειδοαναγωγής.

Πολλές από τις μη αυθόρμητες αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στα ηλεκτρολυτικά στοιχεία περιλαμβάνουν τη διάσπαση μιας χημικής ένωσης στα συστατικά της στοιχεία ή σε απλούστερες χημικές ουσίες. Αυτή η κατηγορία ηλεκτρικών διαδικασιών λύσης ή διάσπασης ονομάζεται ηλεκτρόλυση, από όπου παίρνουν το όνομά τους τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα.

Τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα επιτρέπουν τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική δυναμική ενέργεια. Αποτελούν επίσης τη βάση πολλών μεταλλουργικών διαδικασιών χωρίς τις οποίες δεν θα υπήρχε η κοινωνία όπως τη γνωρίζουμε σήμερα.

Ηλεκτρολυτικά κύτταρα έναντι ηλεκτροχημικών στοιχείων

Μια έννοια που σχετίζεται με τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα είναι αυτή των ηλεκτροχημικών στοιχείων. Υπάρχει μια μικρή διαίρεση γύρω από την έννοια του τελευταίου. Μερικοί συγγραφείς θεωρούν ότι όλα τα κύτταρα στα οποία μια αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής συνδέεται με ηλεκτρικό ρεύμα μεταξύ δύο ηλεκτροδίων αντιπροσωπεύουν ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο, ανεξάρτητα από το αν η αντίδραση είναι αυθόρμητη ή όχι. Από αυτή την άποψη, τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία ήταν ένας ιδιαίτερος τύπος ηλεκτροχημικών στοιχείων.

Από την άλλη πλευρά, μια άλλη ομάδα συγγραφέων ορίζει τα ηλεκτροχημικά κύτταρα ως εκείνα στα οποία μια αυθόρμητη αντίδραση μείωσης της οξείδωσης δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία θα ήταν το ακριβώς αντίθετο από τα ηλεκτροχημικά στοιχεία.

Ανεξάρτητα από αυτό το δίλημμα, είναι σαφές ότι αυτό που χαρακτηρίζει ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο είναι ότι περιλαμβάνει μια αντίδραση οξειδοαναγωγής που δεν είναι αυθόρμητη, και επομένως απαιτεί μια είσοδο ενέργειας από μια εξωτερική πηγή για να συμβεί.

Κύτταρα, μισά κύτταρα και μισές αντιδράσεις

Όπως υποδηλώνει το όνομά της, κάθε αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής περιλαμβάνει δύο ξεχωριστές αλλά αλληλένδετες διαδικασίες, την οξείδωση και την αναγωγή. Η οξείδωση είναι η απώλεια ηλεκτρονίων ενώ η αναγωγή είναι το κέρδος αυτών. Δεδομένου ότι σε μια καθαρή χημική αντίδραση δεν μπορούν να υπάρχουν ορφανά ηλεκτρόνια χωρίς άτομο για να ζήσουν, η οξείδωση και η αναγωγή δεν μπορούν να συμβούν η μία χωρίς την άλλη. Ωστόσο, δεν είναι υποχρεωτικό και οι δύο διεργασίες να πραγματοποιούνται στον ίδιο ιστότοπο.

Αυτό το τελευταίο γεγονός αντιπροσωπεύει τον λόγο ύπαρξης των ηλεκτροχημικών στοιχείων και επίσης (ή κατ’ επέκταση) των ηλεκτρολυτικών στοιχείων. Ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο δεν είναι τίποτα περισσότερο από μια πειραματική συσκευή στην οποία οι διαδικασίες οξείδωσης και αναγωγής μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής διαχωρίζονται φυσικά, αλλά που επιτρέπει τη ροή ηλεκτρονίων από όπου συμβαίνει η οξείδωση έως εκεί όπου λαμβάνει χώρα η αναγωγή μέσω ενός αγωγού. Τα χωριστά διαμερίσματα όπου λαμβάνουν χώρα αυτές οι μισές αντιδράσεις ονομάζονται ημι-κύτταρα και η συγκεκριμένη θέση ή επιφάνεια όπου συμβαίνει κάθε ημιαντίδραση ονομάζεται ηλεκτρόδιο .

Κάθε ηλεκτροχημικό ή ηλεκτρολυτικό στοιχείο ορίζεται από τα χαρακτηριστικά των ηλεκτροδίων, από τη συγκεκριμένη ημιαντίδραση που συμβαίνει σε καθένα από αυτά και από τη σύνθεση και τη συγκέντρωση των διαλυμάτων που υπάρχουν σε κάθε μισό στοιχείο. Επιπλέον, ο αυθορμητισμός της αντίδρασης οξείδωσης-αναγωγής προσδιορίζεται από το λεγόμενο δυναμικό κυττάρου (που αντιπροσωπεύεται ως κύτταρο Ε ).

Ένα θετικό κυτταρικό δυναμικό συνεπάγεται αυθόρμητη αντίδραση, ενώ αν είναι αρνητικό, η αντίδραση δεν θα είναι αυθόρμητη. Ως εκ τούτου, μπορούμε και πάλι να ορίσουμε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο ως αυτό που έχει αρνητικό δυναμικό στοιχείου, το οποίο απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια για να λειτουργήσει.

Λειτουργία ηλεκτρολυτικών στοιχείων

Το παρακάτω σχήμα δείχνει τα συστατικά ενός τυπικού γενικού ηλεκτρολυτικού στοιχείου.

λειτουργία του ηλεκτρολυτικού στοιχείου

Όπως φαίνεται, το στοιχείο αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια ( την άνοδο και την κάθοδο ) που είναι βυθισμένα σε ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη (το οποίο διασφαλίζει ότι αγώγει ηλεκτρισμό, κλείνοντας το ηλεκτρικό κύκλωμα) και που συνδέονται επίσης μέσω ηλεκτρικών αγωγών. περνώντας από πηγή συνεχούς ρεύματος (το γκρι κουτί που είναι συνδεδεμένο με τον ηλεκτρικό τοίχο).

Οι ημι-αντιδράσεις που συμβαίνουν σε αυτό το γενικό ηλεκτρολυτικό στοιχείο φαίνονται στη δεξιά πλευρά της εικόνας. Όπως φαίνεται, το δυναμικό του κυττάρου (αυτό της συνολικής αντίδρασης) είναι αρνητικό, επομένως τα ηλεκτρόνια (τα οποία είναι επίσης αρνητικά) δεν έχουν την τάση να ρέουν από την άνοδο προς την κάθοδο.

Ωστόσο, όταν η πηγή ενέργειας είναι ενεργοποιημένη, δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού που εξουδετερώνει και υπερβαίνει το δυναμικό της κυψέλης, το οποίο ωθεί τα ηλεκτρόνια να κινηθούν μέσω του αγωγού, προκαλώντας την αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής.

Εξ ορισμού, σε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο, η άνοδος είναι το ηλεκτρόδιο όπου συμβαίνει η οξείδωση και συνήθως αναπαρίσταται στα αριστερά. Αντίθετα, η κάθοδος είναι όπου συμβαίνει η αναγωγή και απεικονίζεται στα δεξιά, έτσι τα ηλεκτρόνια ρέουν πάντα από την άνοδο προς την κάθοδο.

Ένας εύκολος τρόπος να το θυμάστε αυτό (στα ισπανικά) είναι ότι “τα φωνήεντα πάνε με φωνήεντα και τα σύμφωνα με σύμφωνα”:

Ánode , Οξείδωση και αριστερά ξεκινούν με φωνήεν, οπότε πάνε όλα μαζί. ενώ, η Κάθοδος , η Αναγωγή και η Σωστή ξεκινούν με ένα σύμφωνο, επομένως πάνε επίσης μαζί.

Χρήσεις ηλεκτρολυτικών κυττάρων

Θα μπορούσατε να πείτε ότι τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα είναι απαραίτητα για τον σύγχρονο τρόπο ζωής μας. Αυτό οφείλεται, πρώτον, στις πολλές βασικές βιομηχανίες που εξαρτώνται εξ ολοκλήρου από ηλεκτρολυτικές διεργασίες, και δεύτερον, στο γεγονός ότι αποτελούν τη βάση της ικανότητάς μας να αποθηκεύουμε ηλεκτρική ενέργεια με τη μορφή χημικής δυναμικής ενέργειας. Μερικές από τις πιο σημαντικές εφαρμογές των ηλεκτρολυτικών στοιχείων είναι:

Παραγωγή και καθαρισμός μετάλλων

Μερικά από τα πιο σημαντικά μέταλλα για τον άνθρωπο, όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός, παράγονται βιομηχανικά μέσω ηλεκτρολυτικών στοιχείων. Αντιπροσωπεύουν επίσης έναν από τους λίγους τρόπους λήψης ενεργών μετάλλων όπως αλκαλιμέταλλα (λίθιο, νάτριο και κάλιο) και μερικά πολύ σημαντικά μέταλλα αλκαλικών γαιών όπως το μαγνήσιο.

Παραγωγή αλογόνου

Τα αλογόνα όπως το φθόριο και το χλώριο έχουν μεγάλη σημασία στη χημική βιομηχανία. Είναι απαραίτητα αντιδραστήρια για την παραγωγή πολλών παραγώγων πετρελαίου όπως το PVC και το τεφλόν, καθώς και χρησιμοποιούνται σε αμέτρητες συνθετικές διαδικασίες για φάρμακα που σώζουν ζωές καθημερινά. Η κύρια πηγή αυτών των αλογόνων είναι η ηλεκτρόλυση των αλάτων που περιέχουν τα ιόντα τους.

Αποθήκευση ενέργειας

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία είναι ικανά να αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια με τη μορφή χημικής ενέργειας. Το πιο απτό παράδειγμα αυτού είναι η διαδικασία φόρτισης όλων των επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Χωρίς ηλεκτρολυτικές κυψέλες, οι μπαταρίες λιθίου που τροφοδοτούν τη συντριπτική πλειονότητα των κινητών συσκευών που χρησιμοποιούμε καθημερινά δεν θα ήταν επαναφορτιζόμενες. Η ηλεκτρόλυση του νερού είναι η βάση για την παραγωγή αερίου υδρογόνου , το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καθαρό καύσιμο σε πύραυλο όπως ο Blue Shephard της Blue Origin , η αεροδιαστημική εταιρεία του Jeff Bezos ή ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας στις κυψέλες καυσίμου ορισμένων μοντέλα ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Παραδείγματα ηλεκτρολυτικών στοιχείων

ηλεκτρόλυση νερού

Η ηλεκτρόλυση του νερού πραγματοποιείται με διέλευση ρεύματος από διάλυμα θειικού οξέος 0,1 M. Οι ημιαντιδράσεις που εμπλέκονται και η συνολική αντίδραση είναι:

Παράδειγμα ηλεκτρόλυσης: ηλεκτρολυτικό στοιχείο νερού

Ηλεκτρόλυση τετηγμένου χλωριούχου νατρίου

Στο τετηγμένο χλωριούχο νάτριο τα ιόντα λειτουργούν ως φορείς φορτίου που μεταφέρουν ηλεκτρισμό. Έτσι παράγεται το νάτριο σε βιομηχανικό επίπεδο.

Παράδειγμα Ηλεκτρόλυσης: Ηλεκτρολυτικό στοιχείο χλωριούχου νατρίου

βιβλιογραφικές αναφορές

-Διαφήμιση-

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados