Element galvanic

O celulă chimică transformă energia chimică în energie electrică. Majoritatea bateriilor sunt celule chimice. O reacție chimică are loc în interiorul bateriei și determină trecerea curentului electric.

Există două tipuri principale de baterii - cele care sunt reîncărcabile și cele care nu sunt reîncărcabile.

O baterie care nu este reîncărcabilă va produce electricitate până când substanțele chimice din ea se vor epuiza. Atunci nu mai este utilă. Poate fi numită pe bună dreptate "se folosește și se aruncă".

O baterie reîncărcabilă poate fi reîncărcată prin trecerea curentului electric în sens invers prin baterie; aceasta poate fi apoi utilizată din nou pentru a produce mai multă energie electrică. Gaston Plante, un om de știință francez, a fost cel care a inventat aceste baterii reîncărcabile în 1859.

Bateriile sunt de diferite forme și dimensiuni, de la cele foarte mici, folosite în jucării și aparate foto, la cele folosite în mașini sau chiar la cele mai mari. Submarinele necesită baterii foarte mari.

Tipuri de celule chimice

Celule electrochimice

O clasă extrem de importantă de reacții de oxidare și reducere este utilizată pentru a furniza energie electrică utilă în baterii. O celulă electrochimică simplă poate fi realizată din metale de cupru și zinc cu soluții de sulfați ai acestora. În procesul reacției, electronii pot fi transferați de la zinc la cupru printr-o cale conductoare electrică sub forma unui curent electric util.

O celulă electrochimică poate fi creată prin plasarea unor electrozi metalici într-un electrolit în care o reacție chimică utilizează sau generează un curent electric. Celulele electrochimice care generează un curent electric se numesc celule voltaice sau celule galvanice, iar bateriile obișnuite sunt formate din una sau mai multe astfel de celule. În alte celule electrochimice, un curent electric furnizat din exterior este utilizat pentru a conduce o reacție chimică care nu ar avea loc în mod spontan. Astfel de celule se numesc celule electrolitice.

Celule voltaice

O celulă electrochimică care provoacă un flux extern de curent electric poate fi creată folosind două metale diferite, deoarece metalele diferă în ceea ce privește tendința lor de a pierde electroni. Zincul pierde mai ușor electroni decât cuprul, astfel încât plasarea zincului și a cuprului metalic în soluții de săruri ale acestora poate determina fluxul de electroni printr-un fir extern care duce de la zinc la cupru. Pe măsură ce un atom de zinc furnizează electroni, acesta devine un ion pozitiv și intră în soluția apoasă, scăzând masa electrodului de zinc. În ceea ce privește cuprul, cei doi electroni primiți îi permit să transforme un ion de cupru din soluție într-un atom de cupru neîncărcat care se depune pe electrodul de cupru, mărindu-i masa. Cele două reacții se scriu de obicei astfel

Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e -

Cu2+(aq) + 2e- --> Cu(s)

Literele din paranteze ne reamintesc doar că zincul trece de la solid (s) la soluție apoasă (aq) și invers pentru cupru. Este tipic în limbajul electrochimiei să ne referim la aceste două procese ca fiind "jumătăți de reacție" care au loc la cei doi electrozi.

Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e -

"Semi-reacția" zincului este clasificată drept oxidare, deoarece pierde electroni. Terminalul la care are loc oxidarea se numește "anod". În cazul unei baterii, acesta este terminalul negativ.

 

"Semi-reacția" cuprului este clasificată drept reducere, deoarece acesta câștigă electroni. Terminalul la care are loc reducerea se numește "catod". În cazul unei baterii, acesta este terminalul pozitiv.

Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s)

Pentru ca celula voltaică să continue să producă un curent electric extern, trebuie să existe o mișcare a ionilor de sulfat din soluție de la dreapta la stânga pentru a echilibra fluxul de electroni din circuitul extern. Ionii metalici înșiși trebuie să fie împiedicați să se deplaseze între electrozi, astfel încât un fel de membrană poroasă sau un alt mecanism trebuie să asigure deplasarea selectivă a ionilor negativi din electrolit de la dreapta la stânga.

Este nevoie de energie pentru a forța electronii să se deplaseze de la electrodul de zinc la cel de cupru, iar cantitatea de energie pe unitate de sarcină disponibilă din celula voltaică se numește forța electromotoare (emf) a celulei. Energia pe unitate de sarcină se exprimă în volți (1 volt = 1 joule/coulomb).

În mod clar, pentru a obține energie din celulă, trebuie să obțineți mai multă energie eliberată din oxidarea zincului decât este nevoie pentru a reduce cuprul. Celula poate produce o cantitate finită de energie din acest proces, procesul fiind limitat de cantitatea de material disponibil fie în electrolit, fie în electrozi metalici. De exemplu, dacă ar exista un mol de ioni de sulfat SO42- pe partea de cupru, atunci procesul este limitat la transferul a doi moli de electroni prin circuitul extern. Cantitatea de sarcină electrică conținută într-un mol de electroni se numește constanta Faraday și este egală cu numărul lui Avogadro înmulțit cu sarcina electronică:

Constanta Faraday = F = ANe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10 -19= 96,485 Coulombi/mole

Energia produsă de o celulă voltaică este dată de tensiunea celulei înmulțită cu numărul de moli de electroni transferați înmulțit cu constanta Faraday.

Producția de energie electrică = nFE

Tensiunea electromagnetică Ecell a celulei poate fi prezisă din potențialele standard ale electrozilor pentru cele două metale. Pentru celula zinc/cupru în condiții standard, potențialul calculat al celulei este de 1,1 volți.

Celula simplă

O celulă simplă are de obicei plăci de cupru (Cu) și zinc (Zn) în acid sulfuric diluat. Zincul se dizolvă și pe placa de cupru apar bule de hidrogen. Aceste bule de hidrogen interferează cu trecerea curentului, astfel încât o celulă simplă nu poate fi utilizată decât pentru o perioadă scurtă de timp. Pentru a furniza un curent constant, este necesar un depolarizator (un agent oxidant) pentru a oxida hidrogenul. În celula Daniel, depolarizatorul este sulfatul de cupru, care schimbă hidrogenul cu cupru. În cazul pilei Leclanche, depolarizatorul este dioxidul de mangan, care oxidează hidrogenul în apă.

Celula simplăZoom
Celula simplă

Celula Daniel

Chimistul englez John Frederick Daniell a dezvoltat în 1836 o celulă voltaică care folosea zinc și cupru și soluții de ioni ai acestora.

Cheie

  • Tijă de zinc = terminal negativ
  • HSO24 = electrolit de acid sulfuric diluat
  • Vasul poros separă cele două lichide
  • CuSO4 = depolarizator de sulfat de cupru
  • Pot de cupru = terminal pozitiv
Diagrama unei celule DanielZoom
Diagrama unei celule Daniel

Întrebări și răspunsuri

Î: Ce este o celulă chimică și care este scopul ei?


R: O celulă chimică este un dispozitiv care convertește energia chimică în energie electrică. Scopul său este de a produce curent electric prin intermediul unei reacții chimice.

Î: Ce sunt majoritatea bateriilor?


R: Majoritatea bateriilor sunt celule chimice.

Î: Ce se întâmplă în interiorul unei baterii care determină trecerea curentului electric?


R: În interiorul bateriei are loc o reacție chimică care determină trecerea curentului electric.

Î: Câte tipuri de baterii există și care sunt acestea?


R: Există două tipuri principale de baterii - cele care sunt reîncărcabile și cele care nu sunt reîncărcabile.

Î: Ce se întâmplă atunci când o baterie nereîncărcabilă este epuizată?


R: O baterie nereîncărcabilă va produce electricitate până când substanțele chimice din ea se epuizează. Atunci nu mai este utilă și poate fi aruncată.

Î: Cine a inventat bateriile reîncărcabile și când?


R: Bateriile reîncărcabile au fost inventate de Gaston Plante, un om de știință francez, în 1859.

Î: Pot fi bateriile de diferite dimensiuni și care este un exemplu de dispozitiv care necesită o baterie mare?


R: Da, bateriile pot avea mai multe forme și dimensiuni. Un exemplu de dispozitiv care necesită o baterie mare este un submarin.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3