ELEKTROCHEMISCHE CELLEN: COMPONENTEN, HOE ZE WERKEN, TYPEN, VOORBEELD - CHEMIE - 2026

De elektrochemische cellen zijn apparaten waarin chemische reacties plaatsvinden waarbij de chemische energie wordt omgezet in elektrische energie of vice versa. Deze cellen vormen het hart van de elektrochemie, waarbij de ziel de potentiële uitwisseling van elektronen is die, spontaan of niet, kan plaatsvinden tussen twee chemische soorten.

Een van de twee soorten oxideert, verliest elektronen, terwijl de andere wordt gereduceerd en de overgedragen elektronen wint. Gewoonlijk is de soort die wordt gereduceerd een metallisch kation in oplossing, dat door het winnen van elektronen uiteindelijk elektrisch wordt afgezet op een elektrode die van hetzelfde metaal is gemaakt. Aan de andere kant is de soort die oxideert een metaal dat verandert in metaalkationen.

Diagram voor een elektrochemische cel van Daniel. Bron: Rehua

De afbeelding hierboven stelt bijvoorbeeld Daniels cel voor: de eenvoudigste van alle elektrochemische cellen. De metalen zinkelektrode oxideert, waardoor Zn ²⁺ -kationen vrijkomen in het waterige medium. Dit gebeurt in de ZnSO ₄ container aan de linkerkant.

Aan de rechterkant wordt de oplossing die CuSO _{4 bevat} verminderd, waardoor de Cu ²⁺ kationen worden omgezet in metallisch koper dat wordt afgezet op de koperelektrode . Tijdens de ontwikkeling van deze reactie reizen de elektronen door een extern circuit dat hun mechanismen activeert; en daarom elektrische energie leveren voor de werking van een team.

Onderdelen van elektrochemische cellen

Elektroden

Elektrische stromen worden gegenereerd of verbruikt in elektrochemische cellen. Om een ​​voldoende elektronenstroom te garanderen, moeten er materialen zijn die elektriciteit goed geleiden. Hier komen de elektroden en het externe circuit binnen, voorzien van koperen, zilveren of gouden bedrading.

De elektroden zijn de materialen die het oppervlak vormen waar de reacties zullen plaatsvinden in de elektrochemische cellen. Er zijn twee soorten, afhankelijk van de reactie die erin optreedt:

-Anode, elektrode waar oxidatie optreedt

-Cathode, elektrode waar reductie optreedt

De elektroden kunnen gemaakt zijn van een reagerend materiaal, zoals in het geval van Daniëls cel (zink en koper); of van een inert materiaal, zoals het geval is wanneer ze van platina of grafiet zijn gemaakt.

De elektronen die door de anode worden vrijgegeven, moeten de kathode bereiken; maar niet via een oplossing, maar via een metalen kabel die beide elektroden met een extern circuit verbindt.

Oplossen van elektrolyt

De oplossing die de elektroden omgeeft speelt ook een belangrijke rol, aangezien deze is verrijkt met sterke elektrolyten; zoals: KCl, KNO ₃ , NaCl, etc. Deze ionen bevorderen tot op zekere hoogte de migratie van elektronen van de anode naar de kathode, evenals hun geleiding door de nabijheid van de elektroden om in wisselwerking te treden met de soort die moet worden verminderd.

Zeewater geleidt elektriciteit bijvoorbeeld veel beter dan gedestilleerd water, met een lagere concentratie ionen. Dat is de reden waarom elektrochemische cellen een sterke elektrolytoplossing hebben onder hun componenten.

Zoutbrug

De ionen van de oplossing beginnen de elektroden te omringen en veroorzaken een polarisatie van de ladingen. De oplossing rond de kathode begint negatief geladen te worden naarmate de kationen worden gereduceerd; in het geval van de Daniel-cel, de Cu ²⁺ -kationen wanneer ze als metallisch koper op de kathode worden afgezet. Er begint dus een tekort aan positieve ladingen te ontstaan.

Dit is waar de zoutbrug tussenkomt om de ladingen in evenwicht te brengen en te voorkomen dat de elektroden polariseren. In de richting van de kathodezijde of het compartiment zullen kationen migreren van de zoutbrug, ofwel K ⁺ of Zn ²⁺ , om het verbruikte Cu ²⁺ te vervangen . Ondertussen zullen NO ₃ ^- anionen migreren van de zoutbrug naar het anodecompartiment om de toenemende concentratie van Zn ²⁺ kationen te neutraliseren .

De zoutbrug is samengesteld uit een verzadigde oplossing van zouten, waarvan de uiteinden bedekt zijn met een gel die doorlaatbaar is voor ionen, maar ondoordringbaar voor water.

Soorten elektrochemische cellen en hoe ze werken

Hoe een elektrochemische cel werkt, hangt af van het type. Er zijn in principe twee soorten: galvanisch (of voltaïsch) en elektrolytisch.

Galvanisch

Daniëls cel is een voorbeeld van een galvanische elektrochemische cel. Bij hen treden de reacties spontaan op en is het potentieel van de batterij positief; hoe groter het potentieel, hoe meer elektriciteit de cel zal leveren.

Cellen of batterijen zijn precies galvanische cellen: de chemische potentiaal tussen de twee elektroden wordt omgezet in elektrische energie wanneer een extern circuit tussenkomt dat ze verbindt. De elektronen migreren dus van de anode, ontbranden de apparatuur waarop de batterij is aangesloten en worden direct teruggevoerd naar de kathode.

Elektrolytisch

Elektrolytische cellen zijn cellen waarvan de reacties niet spontaan plaatsvinden, tenzij ze van elektrische energie worden voorzien door een externe bron. Hier doet zich het tegenovergestelde fenomeen voor: elektriciteit laat niet-spontane chemische reacties toe.

Een van de bekendste en meest waardevolle reacties die binnen dit type cel plaatsvinden, is elektrolyse.

Oplaadbare batterijen zijn voorbeelden van elektrolytische en tegelijkertijd galvanische cellen: ze worden opgeladen om hun chemische reacties om te keren en de oorspronkelijke voorwaarden voor hergebruik te herstellen.

Voorbeelden

Daniel's cel

De volgende chemische vergelijking komt overeen met de reactie in Daniëls cel waar zink en koper aan deelnemen:

Zn (s) + Cu ²⁺ (aq) → Zn ²⁺ (aq) + Cu (s)

Maar de kationen Cu ²⁺ en Zn ²⁺ zijn niet alleen, maar vergezeld van de anionen SO ₄ ^2- . Deze cel kan als volgt worden weergegeven:

Zn - ZnSO ₄ - - CuSO ₄ - Cu

Daniëls cel kan in elk laboratorium worden gebouwd en is zeer terugkerend als praktijk bij de introductie van elektrochemie. Aangezien Cu ²⁺ wordt afgezet als Cu, zal de blauwe kleur van de CuSO _4- oplossing geleidelijk vervagen.

Platina waterstofcel

Stel je een cel voor die waterstofgas verbruikt, metallisch zilver produceert en tegelijkertijd elektriciteit levert. Dit is de platina- en waterstofcel en de algemene reactie is als volgt:

2AgCl (s) + H ₂ (g) → 2Ag (s) + 2H ⁺ + 2Cl ^-

Hier in het anodecompartiment hebben we een inerte platina-elektrode, ondergedompeld in water en gepompt in gasvormige waterstof. H ₂ geoxideerd tot H ⁺ en geeft zijn elektronen de melkachtige AgCl neerslag in het kathodecompartiment met een metalen zilverelektrode. Op dit zilver wordt de AgCl verminderd en zal de massa van de elektrode toenemen.

Deze cel kan worden weergegeven als:

Pt, H ₂ - H ⁺ - - Cl ^- , AgCl - Ag

Verslaat cel

En tot slot hebben we onder de elektrolytische cellen die van gesmolten natriumchloride, beter bekend als de Downs-cel. Hier wordt elektriciteit gebruikt om een ​​volume gesmolten NaCl door de elektroden te verplaatsen, wat de volgende reacties veroorzaakt:

2Na ⁺ (l) + 2e ^- → 2Na (s) (kathode)

2Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2e ^- (anode)

2NaCl (l) → 2Na (s) + Cl ₂ (g) (globale reactie)

Zo kunnen dankzij elektriciteit en natriumchloride metallisch natrium- en chloorgas worden bereid.

Referenties

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie (8e ed.). CENGAGE Leren.
2. Wikipedia. (2020). Elektrochemische cel. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (29 januari 2020). Elektrochemische cellen. Hersteld van: thoughtco.com
4. R. Schip. (sf). Elektrochemische cellen. Hersteld van: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Chemicool. (2017). Definitie van elektrochemische cel. Hersteld van: chemicool.com
6. Patricia Jankowski. (2020). Wat is een elektrochemische cel? - Structuur en gebruik. Studie. Hersteld van: study.com
7. Alchimie (3 maart 2011). Elektrochemische cellen. Scheikunde en wetenschap. Hersteld van: laquimicaylaciencia.blogspot.com