Elektrokimyasal hücreler ve yarı hücreler

Bu tür yarı hücreler daha sonra bir elektrolitik anahtar kullanılarak bağlanır. Elektronların akışına izin vermek ve böylece elektrotlar arasındaki elektriksel teması sürdürmek için kullanılır. Şematik olarak bir galvanik hücrenin yapısı şu şekilde açıklanabilir: anot | anot elektrolit || katot elektroliti | katot Bu tür notasyonlarda, dikey çizgiler faz sınırlarını, çift çizgiler ise elektrolitik anahtarı gösterir. Ayrıca, reaktanların not edilme sırasına dikkat edilmelidir, her zaman soldan indirgeme reaksiyonundan başlayarak, ardından oksidasyon reaksiyonu gelir.

Hücredeki enerji

Galvanik hücrelerde, kendiliğinden gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar sonucunda enerji üretilir. Benzer bir uygulamaya sahip, ancak reaksiyonun harici bir DC kaynağı uygulanarak zorlandığı bir cihaz elektrolizördür. Adından da anlaşılacağı gibi elektroliz işlemlerini yürütür. Mevcut tüm piller galvanik hücrelerdir. Bunlar elektrikli cihazlara güç sağlamak için kullanılan kuru piller, cıva piller, nikel-kadmiyum pillerdir. İçlerinde gerçekleşen spontan reaksiyonlar, üretim sürecine uygun maddelerin girmesi nedeniyle oluşur.

Elektrotlardaki reaksiyonlar

Hücrenin çalışması sırasında, ayrı elektrotlarda oksidasyon ve indirgeme işlemleri gerçekleşir. Tek bir yarım hücrede bulunan oksidasyon sırasında salınan elektronlar, bir indirgeme reaksiyonuna neden oldukları diğer yarım hücreye doğru akar. İndirgenmenin gerçekleştiği elektrot katot, anot ise oksidasyonun gerçekleştiği elektrottur. Görsel olarak, anodun her zaman bir eksi işareti vardır ve anottan gelen elektronlar pozitif bir işaretle katoda akar. Pozitif yük daha yüksek bir potansiyel değere karşılık geldiğinden, katot anottan daha yüksek bir potansiyel gösterir.

Yarım hücreler

Yarım hücre en az iki fazdan oluşabilir. Bunlardan biri olan elektrot, elektronları iletir. İkincisi, iyonik iletkenlikten sorumludur ve bir çözeltide veya erimiş halde bir elektrolit formunda bulunur. Bu fazların sınırında, bazen iyonların ve dipol moleküllerinin adsorpsiyonu ile birleşen elektrostatik etkileşimlerle belirlenen belirli bir elektron, iyon ve dipol düzenlemesi vardır.

Tip I yarım hücreler

Tip I yarı hücreler, aynı metalin katyonlarını içeren bir tuz çözeltisine metalik bir elektrot eklenmesi sonucunda oluşan en yaygın tüm yarı hücreleri içerir. Bu tür sistemlerin örnekleri şunlardır: çinko yarı hücreli Zn ²⁺ |Zn ve bakır yarı hücreli Cu ²⁺ |Cu. Bu tür yarı hücreler aynı zamanda katyon tersinir olarak da bilinir çünkü katyon aracılı reaksiyon elektrot yüzeyinde dengelenir. Gaz yarı hücreleri, tip I yarı hücrelere aittir. Bu tür sistemlerde gaz, kimyasal olarak inert bir metalin varlığında iyonlarıyla denge halindedir. Rolü, reaksiyonda reaktan olmadan elektronları aktarmaktır. Ancak, onun katalizörü olabilir. Bu amaçla platin sıklıkla kullanılır. Bir gaz yarı hücresinin en önemli örneği, hidrojen yarı hücresidir. Gaz halindeki bir hidrojen akışı, H ⁺ iyonları içeren sulu bir çözeltiden geçer. Yarım hücrenin sembolik gösterimi aşağıdaki gibidir: Pt | _H2 (g) | H ⁺ (c) Bu, araştırma bağlamında önemli bir yarı hücredir, çünkü standart potansiyelinin 0 V’a eşit olduğu varsayılır. Bunun nedeni, hidrojen ve hidrojen iyonlarının bire eşit etkinliğidir. Bu nedenle, hidrojen elektrodu standart referans elektrodu olarak kullanılır. Diğer yarı hücrelerin potansiyelleri, hidrojen elektrodunun potansiyeline göre belirlenir. Aynı zamanda bir katyon tersinir elektrottur. Buna karşılık, diğer gaz halindeki elektrotlar, anyon ile bir denge kurabilir. Dolayısıyla isimleri – anyon tersinir elektrotlar. Bu tür yarı hücreler şunları içerir, örneğin: _Cl2 (g)|Cl ^– (c)

Tip II yarı hücreler

Bir sonraki yarı hücre tipi, bu metalin az çözünür tuzunun gözenekli bir tabakası ile kaplanmış metalden oluşan bir yapıya sahiptir. Böyle bir sistem, idareli çözünür tuzla aynı anyona sahip yüksek oranda çözünür bir tuz çözeltisine daldırılır. Bu şema şu şekilde belirtilmiştir: metal | idareli çözünür tuz | ortak anyon, örneğin: Ag | AgCI | Cl ^– Bunlar ortak anyon tersinir elektrotlardır ve potansiyelleri bu iyonların, bu durumda klorürün aktivitesine bağlıdır. Tip II elektrotların tersinirlik, dayanıklılık ve sabit potansiyel ile karakterize edilmeleri nedeniyle, diğer yarı hücrelerin potansiyellerini ölçerken genellikle referans elektrotlar olarak kullanılırlar. Bunlardan ikisi bu amaç için en yaygın şekilde kullanılır – daha önce bahsedilen gümüş klorür elektrot ve klorür anyonları içeren bir çözeltiye daldırılmış bir cıva karışımı ile kalomel macunu ile kaplanmış cıvadan yapılmış kalomel elektrot: Hg | _{Hg2CI2 |} CI ^–

Redoks yarı hücreleri

Biraz yanıltıcı isme rağmen, tüm yarı hücreler redoks reaksiyonları ile karakterize edildiğinden, bu grup, kimyasal olarak aktif olmayan bir metalin (Pt, Au) hem oksitlenmiş hem de indirgenmiş formlarda bir madde içeren bir çözeltiye daldırıldığı yarı hücreler için ayrılmıştır. . Bir örnek, bir kinhidron çözeltisine daldırılmış bir platin elektrottan yapılan kinhidron yarı hücredir. Böyle bir çözelti aynı sayıda mol kinon ve hidrokinon içerir.

Hücre türleri

En basit hücreler, aynı elektrolite sahip yarı hücrelerden oluşur. Bununla birlikte, bireysel yarı hücrelerin farklı solüsyonlar içerdiği durumlar da vardır. Böyle bir hücrenin bir örneği, şeması aşağıdaki gibi not edilebilen Daniell hücresidir: Zn | Zn ²⁺ || Cu ²⁺ | Cu Anot, sulu bir çinko sülfat çözeltisine batırılmış bir çinko elektrottan yapılırken, anot, sulu bir bakır sülfat çözeltisine batırılmış bir bakır elektrottur. Her iki yarım hücre de bir elektrolitik anahtarla bağlıdır ve birbirleriyle doğrudan temas halinde değildir. Hücreler kimyasal ve konsantrasyon hücrelerine ayrılabilir. Kimyasal hücrelerde kendiliğinden olan süreç, bir kimyasal reaksiyonun enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü bir oksidasyon-redüksiyon reaksiyonudur. Konsantrasyon hücreleri, aynı elektrotların ve farklı konsantrasyonlarda elektrolitlerin kullanılmasıyla karakterize edilir. Bu tür yarı hücreler kısa devre edildikten sonra, konsantrasyonları eşitlemek için kendiliğinden bir süreç meydana gelir. Süreç, elektrik işinin kaynağıdır. Gaz halindeki elektrotların birbirinden konsantrasyon olarak farklı olduğu elektrot konsantrasyon hücreleri de vardır, örneğin gaz basıncında farklılık gösteren gaz halindeki elektrotlar. Bunlar farklı amalgam konsantrasyonlarına sahip amalgam elektrotları da olabilir.