Elektrochemické články a poločlánky

Takéto poločlánky sa potom spoja pomocou elektrolytického kľúča. Používa sa na umožnenie toku elektrónov a tým na udržanie elektrického kontaktu medzi elektródami. Schematicky možno konštrukciu galvanického článku opísať takto: anóda | anódový elektrolyt || katódový elektrolyt | katóda V takýchto zápisoch zvislé čiary označujú fázové hranice a dvojité čiary označujú elektrolytický kľúč. Tiež je potrebné venovať pozornosť poradiu, v ktorom sú reaktanty zaznamenané, vždy začínajúc redukčnou reakciou zľava, potom nasleduje oxidačná reakcia.

Energia v bunke

V galvanických článkoch vzniká energia ako výsledok spontánnych chemických reakcií. Zariadenie s podobnou aplikáciou, ale v ktorom je reakcia vynútená aplikáciou externého zdroja jednosmerného prúdu, je elektrolyzér. Ako už názov napovedá, vedie procesy elektrolýzy. Všetky dostupné batérie sú galvanické články. Ide o suché články, ortuťové články, nikel-kadmiové batérie, ktoré slúžia na napájanie elektrických zariadení. V ich vnútri prebiehajú spontánne reakcie v dôsledku zavádzania vhodných látok do výrobného procesu.

Reakcie na elektródach

Počas prevádzky článku na jednotlivých elektródach prebiehajú oxidačné a redukčné procesy. Elektróny uvoľnené počas oxidácie, prítomné v jednom polčlánku, prúdia smerom k druhému polčlánku, kde spôsobujú redukčnú reakciu. Elektróda, na ktorej prebieha redukcia, sa nazýva katóda, zatiaľ čo anóda je elektróda, na ktorej prebieha oxidácia. Vizuálne má anóda vždy znamienko mínus a elektróny z anódy prúdia ku katóde s kladným znamienkom. Pretože kladný náboj zodpovedá vyššej hodnote potenciálu, katóda vykazuje vyšší potenciál ako anóda.

Polčlánky

Polčlánok môže byť zložený aspoň z dvoch fáz. Jedna z nich, elektróda, vedie elektróny. Druhý je zodpovedný za iónovú vodivosť a je prítomný vo forme elektrolytu v roztoku alebo v roztavenom stave. Na rozhraní týchto fáz je špecifické usporiadanie elektrónov, iónov a dipólov určené elektrostatickými interakciami, niekedy kombinované aj s adsorpciou iónov a dipólových molekúl.

Polčlánky typu I

Polčlánky typu I zahŕňajú všetky najbežnejšie poločlánky, ktoré vznikajú v dôsledku zavedenia kovovej elektródy do roztoku soli, ktorý obsahuje katióny toho istého kovu. Príklady takýchto systémov sú: zinkový poločlánok Zn2 ⁺ |Zn a medený poločlánok Cu2 ⁺ |Cu. Tento typ poločlánkov je tiež známy ako katión-reverzibilný, pretože katiónom sprostredkovaná reakcia sa vyrovnáva na jeho povrchu elektródy. Plynové poločlánky patria medzi poločlánky typu I. V takýchto systémoch je plyn v rovnováhe so svojimi iónmi v prítomnosti kovu, ktorý je chemicky inertný. Jeho úlohou je prenášať elektróny bez toho, aby bol reaktantom v reakcii. Môže však byť jeho katalyzátorom. Na tento účel sa často používa platina. Najdôležitejším príkladom plynového polčlánku je vodíkový poločlánok. Prúd plynného vodíka prechádza vodným roztokom obsahujúcim ióny H ⁺ . Symbolický zápis polbunky je nasledovný: Pt | _H2 (g) | H ⁺ (c) Toto je dôležitý polčlánok v kontexte výskumu, pretože sa predpokladá, že jeho štandardný potenciál sa rovná 0 V. Je to spôsobené aktivitou vodíka a vodíkových iónov rovnej jednej. Ako štandardná referenčná elektróda sa teda používa vodíková elektróda. Potenciály ostatných poločlánkov sa určujú vo vzťahu k potenciálu vodíkovej elektródy. Je to tiež katiónová reverzibilná elektróda. Naproti tomu iné plynné elektródy môžu vytvoriť rovnováhu s aniónom. Odtiaľ pochádza ich názov – aniónové reverzibilné elektródy. Takéto polobunky zahŕňajú napr.: Cl ₂ (g) | Cl ^– (c)

Polčlánky typu II

Ďalší typ poločlánkov má štruktúru zloženú z kovu, ktorý je pokrytý poréznou vrstvou ťažko rozpustnej soli tohto kovu. Takýto systém je ponorený do roztoku vysoko rozpustnej soli, ktorá má rovnaký anión ako ťažko rozpustná soľ. Táto schéma je označená ako: kov | ťažko rozpustná soľ | obyčajný anión, napr.: Ag | AgCl | Cl ^– Ide o bežné aniónové reverzibilné elektródy a ich potenciál závisí od aktivity týchto iónov, v tomto prípade chloridových. Vzhľadom na to, že elektródy typu II sa vyznačujú reverzibilitou, trvanlivosťou a konštantným potenciálom, často sa používajú ako referenčné elektródy pri meraní potenciálov iných poločlánkov. Na tento účel sa najčastejšie používajú dve z nich – už spomínaná chloridová elektróda strieborná a kalomelová elektróda z ortuti pokrytá kalomelovou pastou s prímesou ortuti ponorená do roztoku s obsahom chloridových aniónov: Hg | Hg ₂ Cl ₂ | Cl ^–

Redoxné poločlánky

Napriek trochu zavádzajúcemu názvu, keďže všetky poločlánky sa vyznačujú redoxnými reakciami, je táto skupina vyhradená pre poločlánky, v ktorých je chemicky neaktívny kov (Pt, Au) ponorený do roztoku obsahujúceho látku v oxidovanej aj redukovanej forme. . Príkladom je chinhydronový poločlánok vyrobený z platinovej elektródy ponorenej do roztoku chinhydronu. Takýto roztok obsahuje rovnaký počet mólov chinónu a hydrochinónu.

Typy buniek

Najjednoduchšie články pozostávajú z poločlánkov s rovnakým elektrolytom. Sú však aj také, v ktorých jednotlivé poločlánky obsahujú rôzne riešenia. Príkladom takejto bunky je Daniellova bunka, ktorej schému možno zaznamenať takto: Zn | Zn ²⁺ || Cu ²⁺ | Cu Anóda je vyrobená zo zinkovej elektródy ponorenej do vodného roztoku síranu zinočnatého, zatiaľ čo anóda je medená elektróda ponorená do vodného roztoku síranu meďnatého . Obidva polčlánky sú spojené elektrolytickým kľúčom a nie sú v priamom vzájomnom kontakte. Bunky môžeme rozdeliť na chemické a koncentračné. V chemických článkoch je spontánny proces oxidačno-redukčná reakcia, pri ktorej sa energia chemickej reakcie premieňa na elektrickú energiu. Koncentračné články sa vyznačujú použitím rovnakých elektród a elektrolytov rôznych koncentrácií. Po skratovaní takýchto poločlánkov nastáva spontánny proces vyrovnávania koncentrácií. Proces je zdrojom elektrickej práce. Existujú aj elektródové koncentračné články, kde sa plynné elektródy navzájom líšia koncentráciou, napr. plynové elektródy, ktoré sa líšia tlakom plynu. Môžu to byť aj amalgámové elektródy s rôznymi koncentráciami amalgámu.