Co to jest ogniwo elektrolityczne?

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


Ogniwo elektrolityczne to urządzenie elektrochemiczne, w którym energia elektryczna jest zużywana do napędzania niespontanicznej reakcji utleniania -redukcji lub reakcji redoks. Jest przeciwieństwem ogniwa galwanicznego lub galwanicznego , które wytwarza energię elektryczną w wyniku spontanicznej reakcji redoks.

Wiele niespontanicznych reakcji zachodzących w ogniwach elektrolitycznych obejmuje rozkład związku chemicznego na jego elementy składowe lub na prostsze substancje chemiczne. Ta klasa procesów lizy lub rozpadu zasilanych elektrycznie nazywana jest elektrolizą, od której biorą swoją nazwę ogniwa elektrolityczne.

Ogniwa elektrolityczne umożliwiają konwersję energii elektrycznej na chemiczną energię potencjalną. Stanowią również podstawę wielu procesów metalurgicznych, bez których społeczeństwo, jakie znamy dzisiaj, nie mogłoby istnieć.

Ogniwa elektrolityczne a ogniwa elektrochemiczne

Pojęciem związanym z ogniwami elektrolitycznymi są ogniwa elektrochemiczne. Istnieje niewielki podział wokół koncepcji tego ostatniego. Niektórzy autorzy uważają, że wszystkie ogniwa, w których reakcja utleniania-redukcji jest związana z prądem elektrycznym między dwiema elektrodami, reprezentują ogniwo elektrochemiczne, niezależnie od tego, czy reakcja jest spontaniczna, czy nie. Z tego punktu widzenia ogniwa elektrolityczne są szczególnym rodzajem ogniw elektrochemicznych.

Z drugiej strony inna grupa autorów definiuje ogniwa elektrochemiczne jako takie, w których spontaniczna reakcja utleniania-redukcji generuje prąd elektryczny. W tym przypadku ogniwa elektrolityczne byłyby dokładnym przeciwieństwem ogniw elektrochemicznych.

Niezależnie od tego dylematu jasne jest, że ogniwo elektrolityczne charakteryzuje się tym, że obejmuje ono reakcję redoks, która nie jest spontaniczna, a zatem wymaga wkładu energii z zewnętrznego źródła, aby mogła zajść.

Komórki, półogniwa i półreakcje

Jak sama nazwa wskazuje, każda reakcja utleniania-redukcji obejmuje dwa oddzielne, ale powiązane ze sobą procesy, utlenianie i redukcję. Utlenianie to utrata elektronów, podczas gdy redukcja to ich zysk. Ponieważ w reakcji chemicznej netto nie może być elektronów sierocych bez atomu, z którego można żyć, utlenianie i redukcja nie mogą zachodzić bez siebie. Jednak nie jest obowiązkowe, aby oba procesy zachodziły w tym samym miejscu.

Ten ostatni fakt stanowi raison d’être ogniw elektrochemicznych, a także (lub szerzej) ogniw elektrolitycznych. Ogniwo elektrolityczne to nic innego jak eksperymentalne urządzenie, w którym procesy utleniania i redukcji reakcji redoks są fizycznie rozdzielone, ale umożliwia przepływ elektronów z miejsca, w którym zachodzi utlenianie, do miejsca, w którym zachodzi redukcja, przez przewodnik elektryczny. Oddzielne przedziały, w których zachodzą te półreakcje, nazywane są półogniwami , a określone miejsce lub powierzchnia, na której zachodzi każda półreakcja, nazywane jest elektrodą .

Każde ogniwo elektrochemiczne lub elektrolityczne jest określone przez charakterystykę elektrod, przez określoną połowiczną reakcję zachodzącą w każdej z nich oraz przez skład i stężenie roztworów obecnych w każdym półogniwie. Ponadto spontaniczność reakcji utleniania-redukcji jest określona przez tak zwany potencjał komórki (reprezentowany jako komórka E ).

Dodatni potencjał komórki implikuje spontaniczną reakcję, natomiast jeśli jest ujemny, reakcja nie będzie spontaniczna. Dlatego możemy ponownie zdefiniować ogniwo elektrolityczne jako takie, które ma ujemny potencjał ogniwa, co wymaga energii elektrycznej do działania.

Działanie ogniw elektrolitycznych

Poniższy rysunek przedstawia elementy typowego ogólnego ogniwa elektrolitycznego.

działanie ogniwa elektrolitycznego

Jak widać, ogniwo składa się z dwóch elektrod ( anody i katody ), które są zanurzone w roztworze elektrolitu (który zapewnia przewodzenie prądu, zamykając obwód elektryczny) i które są również połączone za pomocą przewodników elektrycznych przechodząc przez źródło prądu stałego (szare pudełko, które jest podłączone do ściany elektrycznej).

Reakcje połowiczne zachodzące w tym typowym ogniwie elektrolitycznym są pokazane po prawej stronie obrazu. Jak widać, potencjał ogniwa (potencjał całej reakcji) jest ujemny, więc elektrony (które również są ujemne) nie mają tendencji do przepływu z anody do katody.

Jednak gdy źródło zasilania jest włączone, generuje różnicę potencjałów, która przeciwdziała i przekracza potencjał ogniwa, co powoduje ruch elektronów przez przewodnik, powodując reakcję utleniania-redukcji.

Z definicji w ogniwie elektrolitycznym anoda jest elektrodą, w której zachodzi utlenianie i jest zwykle przedstawiona po lewej stronie. Zamiast tego katoda jest miejscem, w którym zachodzi redukcja i jest pokazana po prawej stronie, więc elektrony zawsze przepływają od anody do katody.

Łatwym sposobem na zapamiętanie tego (po hiszpańsku) jest to, że „samogłoski idą w parze z samogłoskami, a spółgłoski ze spółgłoskami”:

Ánode , Utlenianie i lewo zaczynają się od samogłoski, więc wszystkie idą razem; mając na uwadze, że Cathode , Reduction i Right wszystkie zaczynają się od spółgłoski, więc również idą razem.

Zastosowania ogniw elektrolitycznych

Można powiedzieć, że ogniwa elektrolityczne są niezbędne w naszym nowoczesnym stylu życia. Wynika to po pierwsze z wielu podstawowych gałęzi przemysłu, które są całkowicie zależne od procesów elektrolitycznych, a po drugie z faktu, że stanowią one podstawę naszej zdolności do magazynowania energii elektrycznej w postaci chemicznej energii potencjalnej. Niektóre z najważniejszych zastosowań ogniw elektrolitycznych to:

Produkcja i oczyszczanie metali

Niektóre z najważniejszych dla człowieka metali, takie jak aluminium i miedź, są produkowane przemysłowo za pomocą ogniw elektrolitycznych. Stanowią również jeden z nielicznych sposobów pozyskiwania metali aktywnych, takich jak metale alkaliczne (lit, sód i potas) oraz niektóre bardzo ważne metale ziem alkalicznych, takie jak magnez.

Produkcja halogenów

Halogeny, takie jak fluor i chlor, mają ogromne znaczenie w przemyśle chemicznym. Są niezbędnymi odczynnikami do produkcji wielu pochodnych ropy naftowej, takich jak PCW i teflon, a także są wykorzystywane w niezliczonych procesach syntezy leków, które każdego dnia ratują życie. Głównym źródłem tych halogenów jest elektroliza soli zawierających ich jony.

Magazynowanie energii

Jak wspomniano powyżej, ogniwa elektrolityczne są zdolne do magazynowania energii elektrycznej w postaci energii chemicznej. Najbardziej namacalnym tego przykładem jest proces ładowania wszystkich akumulatorów. Bez ogniw elektrolitycznych baterie litowe, które zasilają zdecydowaną większość urządzeń mobilnych, z których korzystamy na co dzień, nie nadawałyby się do ponownego ładowania. Elektroliza wody jest podstawą do produkcji gazowego wodoru , który może być wykorzystany jako czyste paliwo w rakietach, takich jak Blue Origin’s Blue Shephard , firma lotnicza Jeffa Bezosa, lub jako źródło energii elektrycznej w ogniwach paliwowych niektórych modele samochodów elektrycznych.

Przykłady ogniw elektrolitycznych

elektroliza wody

Elektrolizę wody przeprowadza się, przepuszczając prąd przez 0,1 M roztwór kwasu siarkowego.

Przykład elektrolizy: ogniwo elektrolityczne wody

Elektroliza stopionego chlorku sodu

W stopionym chlorku sodu jony działają jako nośniki ładunku przewodzące elektryczność. W ten sposób sód jest produkowany na poziomie przemysłowym.

Przykład elektrolizy: ogniwo elektrolityczne chlorku sodu

Bibliografia

-Reklama-

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

Artículos relacionados