Elektrochemické články a poločlánky

Takové poločlánky se pak spojí pomocí elektrolytického klíče. Slouží k umožnění toku elektronů a tím k udržení elektrického kontaktu mezi elektrodami. Schematicky lze konstrukci galvanického článku popsat takto: anoda | anodový elektrolyt || katodový elektrolyt | katoda V takových zápisech vertikální čáry označují fázové hranice a dvojité čáry označují elektrolytický klíč. Také je třeba věnovat pozornost pořadí, ve kterém jsou reaktanty zaznamenány, vždy počínaje redukční reakcí zleva a poté následovanou oxidační reakcí.

Energie v buňce

V galvanických článcích vzniká energie jako výsledek spontánních chemických reakcí. Zařízení s podobnou aplikací, ale ve kterém je reakce vynucena aplikací externího zdroje stejnosměrného proudu, je elektrolyzér. Jak název napovídá, provádí procesy elektrolýzy. Všechny dostupné baterie jsou galvanické články. Jedná se o suché články, rtuťové články, nikl-kadmiové baterie, které se používají k napájení elektrických zařízení. K spontánním reakcím probíhajícím uvnitř nich dochází díky zavádění vhodných látek do výrobního procesu.

Reakce na elektrodách

Při provozu článku probíhají na jednotlivých elektrodách oxidační a redukční procesy. Elektrony uvolněné při oxidaci, přítomné v jednom půlčlánku, proudí směrem k druhému půlčlánku, kde způsobují redukční reakci. Elektroda, na které probíhá redukce, se nazývá katoda, zatímco anoda je elektroda, na které probíhá oxidace. Vizuálně má anoda vždy znaménko mínus a elektrony z anody proudí ke katodě s kladným znaménkem. Protože kladný náboj odpovídá vyšší hodnotě potenciálu, katoda vykazuje vyšší potenciál než anoda.

Půlčlánky

Poločlánek může být složen alespoň ze dvou fází. Jedna z nich, elektroda, vede elektrony. Druhý je zodpovědný za iontovou vodivost a je přítomen ve formě elektrolytu v roztoku nebo v roztaveném stavu. Na rozhraní těchto fází je specifické uspořádání elektronů, iontů a dipólů určené elektrostatickými interakcemi, někdy také kombinované s adsorpcí iontů a dipólových molekul.

Poločlánky typu I

Poločlánky typu I zahrnují všechny nejběžnější poločlánky, které vznikají v důsledku zavedení kovové elektrody do roztoku soli, který obsahuje kationty stejného kovu. Příklady takových systémů jsou: zinkový poločlánek Zn ²⁺ |Zn a měděný poločlánek Cu ²⁺ |Cu. Tento typ poločlánků je také známý jako kationtově reverzibilní, protože kationtově zprostředkovaná reakce se vyrovnává na jeho povrchu elektrody. Plynové poločlánky patří mezi poločlánky typu I. V takových systémech je plyn v rovnováze se svými ionty v přítomnosti kovu, který je chemicky inertní. Jeho úlohou je přenášet elektrony, aniž by byl reaktantem v reakci. Může však být jejím katalyzátorem. K tomuto účelu se často používá platina. Nejdůležitějším příkladem plynového poločlánku je vodíkový poločlánek. Proud plynného vodíku prochází vodným roztokem obsahujícím H ⁺ ionty. Symbolický zápis půlbuňky je následující: Pt | _H2 (g) | H ⁺ (c) Toto je důležitý poločlánek v kontextu výzkumu, protože se předpokládá, že jeho standardní potenciál je roven 0 V. To je způsobeno aktivitou vodíku a vodíkových iontů rovnou jedné. Vodíková elektroda se tedy používá jako standardní referenční elektroda. Potenciály ostatních poločlánků jsou určeny ve vztahu k potenciálu vodíkové elektrody. Je to také kationtová reverzibilní elektroda. Naproti tomu jiné plynné elektrody mohou vytvořit rovnováhu s aniontem. Odtud jejich název – aniontové reverzibilní elektrody. Mezi takové poločlánky patří např.: Cl ₂ (g)|Cl ^– (c)

Poločlánky typu II

Další typ poločlánků má strukturu složenou z kovu, který je pokrytý porézní vrstvou těžko rozpustné soli tohoto kovu. Takový systém je ponořen do roztoku vysoce rozpustné soli, která má stejný aniont jako málo rozpustná sůl. Toto schéma je označeno jako: kov | málo rozpustná sůl | obyčejný anion, např.: Ag | AgCl | Cl ^– Jedná se o běžné aniontové reverzibilní elektrody a jejich potenciál závisí na aktivitě těchto iontů, v tomto případě chloridových. Vzhledem k tomu, že elektrody typu II se vyznačují reverzibilitou, trvanlivostí a konstantním potenciálem, jsou často používány jako referenční elektrody při měření potenciálů jiných poločlánků. Nejčastěji se k tomuto účelu používají dvě z nich – již zmíněná chloridová elektroda stříbrná a kalomelová elektroda ze rtuti pokryté kalomelovou pastou s příměsí rtuti ponořené v roztoku obsahujícím chloridové anionty: Hg | Hg ₂ Cl ₂ | Cl ^–

Redoxní poločlánky

Přes poněkud zavádějící název, protože všechny poločlánky jsou charakterizovány redoxními reakcemi, je tato skupina vyhrazena poločlánkům, ve kterých je chemicky neaktivní kov (Pt, Au) ponořen do roztoku obsahujícího látku v oxidované i redukované formě. . Příkladem je chinhydronový poločlánek, vyrobený z platinové elektrody ponořené do roztoku chinhydronu. Takový roztok obsahuje stejný počet molů chinonu a hydrochinonu.

Typy buněk

Nejjednodušší články se skládají z poločlánků se stejným elektrolytem. Jsou však i takové, ve kterých jednotlivé poločlánky obsahují různá řešení. Příkladem takové buňky je Daniellova buňka, jejíž schéma lze zaznamenat následovně: Zn | Zn ²⁺ || Cu ²⁺ | Cu Anoda je vyrobena ze zinkové elektrody ponořené ve vodném roztoku síranu zinečnatého, zatímco anoda je měděná elektroda ponořená ve vodném roztoku síranu měďnatého . Oba půlčlánky jsou spojeny elektrolytickým klíčem a nejsou spolu v přímém kontaktu. Buňky lze rozdělit na chemické a koncentrační. V chemických článcích je spontánním procesem oxidačně-redukční reakce, při které se energie chemické reakce přeměňuje na elektrickou energii. Koncentrační články se vyznačují použitím stejných elektrod a elektrolytů různých koncentrací. Poté, co jsou takové poločlánky zkratovány, dojde ke spontánnímu procesu vyrovnání koncentrací. Proces je zdrojem elektrické práce. Existují také elektrodové koncentrační články, kde se plynné elektrody navzájem liší koncentrací, např. plynové elektrody, které se liší tlakem plynu. Mohou to být i amalgámové elektrody s různou koncentrací amalgámu.