Електрохімічні елементи, також відомі як гальванічні елементи, є пристроями, які дозволяють безпосередньо перетворювати енергію хімічних зв’язків в електричну роботу. Вони складаються з двох електродів, які є металевими провідниками. Вони залишаються в постійному контакті з іонним провідником – рідким або твердим електролітом. Один електрод з навколишнім електролітом утворює напівелемент. Залежно від використовуваного методу аналізу електроди можуть мати загальний електроліт або бути зануреними в різні електроліти.
Потім такі напівелементи з’єднуються за допомогою електролітичного ключа. Він використовується для забезпечення потоку електронів і, таким чином, для підтримки електричного контакту між електродами. Схематично будову гальванічного елемента можна описати так: анод | анодний електроліт || катодний електроліт | катод У таких позначеннях вертикальні лінії вказують на межі фаз, а подвійні — на електролітичний ключ. Також слід звернути увагу на порядок, у якому зазначаються реагенти, завжди починаючи з реакції відновлення зліва, потім слідує реакція окислення.
Енергія в клітині
У гальванічних елементах енергія утворюється в результаті спонтанних хімічних реакцій. Пристроєм із подібним застосуванням, але в якому реакція форсується за допомогою зовнішнього джерела постійного струму, є електролізер. Як випливає з назви, він проводить процеси електролізу. Усі доступні батареї є гальванічними. Це сухі елементи, ртутні елементи, нікель-кадмієві акумулятори, які використовуються для живлення електроприладів. Мимовільні реакції, що відбуваються всередині них, відбуваються за рахунок введення в процес виробництва відповідних речовин.
Реакції на електродах
Під час роботи комірки на окремих електродах відбуваються процеси окислення та відновлення. Електрони, що виділяються під час окислення, присутні в одній напівелементі, течуть до іншої напівелементу, де вони викликають реакцію відновлення. Електрод, на якому відбувається відновлення, називається катодом, а анод — електродом, на якому відбувається окислення. Візуально анод завжди має знак мінус, а електрони від анода течуть до катода з позитивним знаком. Оскільки позитивний заряд відповідає вищому значенню потенціалу, катод демонструє вищий потенціал, ніж анод.
Напівклітини
Напівклітина може складатися щонайменше з двох фаз. Один із них, електрод, проводить електрони. Другий відповідає за іонну провідність і присутній у вигляді електроліту в розчині або в розплавленому стані. На межі цих фаз існує певне розташування електронів, іонів і диполів, що визначається електростатичними взаємодіями, іноді також поєднаними з адсорбцією іонів і дипольних молекул.
Напівклітини I типу
До напівелементів I типу відносяться всі найпоширеніші напівелементи, які утворюються в результаті введення металевого електрода в розчин солі, що містить катіони цього ж металу. Прикладами таких систем є: цинкова напівкомірка Zn 2+ |Zn і мідна напівкомірка Cu 2+ |Cu. Цей тип напівелементів також відомий як катіонно-оборотні, оскільки опосередкована катіонами реакція врівноважується на поверхні електрода. Газові напівелементи належать до напівелементів I типу. У таких системах газ знаходиться в рівновазі зі своїми іонами в присутності металу, який є хімічно інертним. Його роль полягає у перенесенні електронів, не будучи реагентом у реакції. Однак він може стати його каталізатором. Для цього часто використовують платину. Найважливішим прикладом газової напівелементи є воднева напівелемент. Потік газоподібного водню проходить через водний розчин, що містить іони Н + . Символьне позначення напівклітинки наступне: Pt | Н 2 (г) | H + (c) Це важлива напівелемент у дослідницькому контексті, оскільки його стандартний потенціал вважається рівним 0 В. Це пов’язано з активністю водню та іонів водню, що дорівнює одиниці. Таким чином, водневий електрод використовується як стандартний електрод порівняння. Потенціали інших напівелементів визначаються по відношенню до потенціалу водневого електрода. Це також катіонний оборотний електрод. Навпаки, інші газоподібні електроди можуть встановлювати рівновагу з аніоном. Звідси і їхня назва – аніонні оборотні електроди. Такі напівклітини включають, наприклад: Cl 2 (g)|Cl – (c) 
Напівклітини II типу
Наступний тип напівкомірок має структуру, що складається з металу, який покритий пористим шаром важкорозчинної солі цього металу. Таку систему занурюють у розчин добре розчинної солі, яка має той самий аніон, що й важкорозчинна сіль. Ця схема позначається як: метал | важкорозчинна сіль | загальний аніон, наприклад: Ag | AgCl | Cl – Це звичайні аніонні оборотні електроди, і їхній потенціал залежить від активності цих іонів, у даному випадку хлориду. У зв’язку з тим, що електроди типу II характеризуються оборотністю, довговічністю і постійним потенціалом, їх часто використовують як електроди порівняння при вимірюванні потенціалів інших напівелементів. Для цього найчастіше використовують два з них – уже згаданий хлорсеребряний електрод і каломелевий електрод із ртуті, покритої каломельною пастою з домішкою ртуті, зануреної в розчин, що містить аніони хлориду: Hg | Hg 2 Cl 2 | Cl –
Редокс напівклітини
Незважаючи на дещо оманливу назву, оскільки всі напівелементи характеризуються окисно-відновними реакціями, ця група зарезервована для напівелементів, у яких хімічно неактивний метал (Pt, Au) занурений у розчин, що містить речовину як у окисленій, так і у відновленій формах. . Прикладом може служити хінгідронна напівелемент, виготовлений із платинового електрода, зануреного в розчин хінгідрону. Такий розчин містить однакову кількість молей хінону та гідрохінону.
Типи клітин
Найпростіші елементи складаються з напівелементів, що мають однаковий електроліт. Однак бувають і такі, в яких окремі напівкомірки містять різні розчини. Прикладом такої комірки є комірка Даніеля, схему якої можна позначити так: Zn | Zn 2+ || Cu 2+ | Cu Анод складається з цинкового електрода, зануреного у водний розчин сульфату цинку, тоді як анод являє собою мідний електрод, занурений у водний розчин сульфату міді . Обидва напівелементи з’єднані електролітичним ключем і не знаходяться в прямому контакті один з одним. Клітини можна розділити на хімічні та концентраційні. У хімічних клітинах самочинний процес — це окислювально-відновна реакція, при якій енергія хімічної реакції перетворюється на електричну. Для концентраційних осередків характерне використання однакових електродів і електролітів різної концентрації. Після короткого замикання таких напівклітин відбувається спонтанний процес вирівнювання концентрацій. Процес є джерелом електричної роботи. Існують також електродні концентраційні комірки, де газоподібні електроди відрізняються один від одного за концентрацією, наприклад газоподібні електроди, що відрізняються тиском газу. Це також можуть бути амальгамні електроди з різною концентрацією амальгами.
