23,3: Вольтаїчні клітини

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 23.2: Електрохімічна реакція
- 23.4: Електричний потенціал

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Луїджі Гальвані (1737-1798) був італійським лікарем і вченим, який проводив дослідження нервової провідності у тварин. Його випадкове спостереження за посмикуванням жаб'ячих лапок при зіткненні з залізним скальпелем, в той час як ноги висіли на мідних гачках, призвело до досліджень електропровідності в м'язах і нервах. Він вважав, що тканини тварин містять «тваринну електрику», схожу на природну електрику, яка спричинила утворення блискавки.

Вольтаїчні клітини

Вольтаїчна клітина - це електрохімічна клітина, яка використовує спонтанну окислювально-відновну реакцію для отримання електричної енергії.

Малюнок $\PageIndex{1}$ : Вольтаїчна комірка.

Вольтаїчна комірка (див. Малюнок вище) складається з двох окремих відсіків. Напівклітина - це одна частина вольтаїчної клітини, в якій відбувається або окислення, або відновлення напівреакції. Ліва півкомірка являє собою смужку металу цинку в розчині сульфату цинку. Права півкомірка - смужка мідного металу в розчині мідного (II) купоросу. Смуги металу називаються електродами. Електрод - це провідник в ланцюзі, який використовується для перенесення електронів до неметалевої частини ланцюга. Неметалічна частина ланцюга - це розчин електроліту, в який поміщаються електроди. Металевий дріт з'єднує два електроди. Вимикач розмикає або замикає ланцюг. Пориста мембрана поміщається між двома напівосередками для завершення схеми.

Різні електрохімічні процеси, що відбуваються в вольтаїчному осередку, відбуваються одночасно. Найпростіше описати їх в наступних кроках, використовуючи в якості прикладу вищевказану цинк-мідну комірку.

1. Атоми цинку з цинкового електрода окислюються до іонів цинку. Це відбувається тому, що цинк вище, ніж мідь на ряді активності, і тому легше окислюється.

$\ce{Zn} \left( s \right) \rightarrow \ce{Zn^{2+}} \left( aq \right) + 2 \ce{e^-}\nonumber$

Електрод, при якому відбувається окислення, називається анодом. Цинковий анод поступово зменшується в міру роботи клітини, через втрату металу цинку. Концентрація іонів цинку в напівклітині збільшується. Через вироблення електронів на аноді він маркується як негативний електрод.

2. Електрони, які генеруються на цинковому аноді, подорожують по зовнішньому проводу і реєструють показання на вольтметрі. Вони продовжують до мідного електрода.

3. Електрони надходять в мідний електрод, де вони з'єднуються з іонами міді (II) в розчині, зменшуючи їх до мідного металу.

$\ce{Cu^{2+}} \left( aq \right) + 2 \ce{e^-} \rightarrow \ce{Cu} \left( s \right)\nonumber$

Електрод, при якому відбувається зменшення, називається катодом. Катод поступово збільшується в масі через отримання мідного металу. Концентрація іонів міді (II) в напівклітинному розчині зменшується. Катод - це позитивний електрод.

4. Іони переміщаються через мембрану для підтримки електричної нейтральності в клітці. У клітинці, проілюстрованій вище, сульфатні іони будуть переміщатися з боку міді на сторону цинку, щоб компенсувати зменшення $\ce{Cu^{2+}}$ та збільшення $\ce{Zn^{2+}}$ .

Дві напівреакції можна знову підсумувати, щоб забезпечити загальну окислювально-відновну реакцію, що відбувається у вольтаїчній клітині:

$\ce{Zn} \left( s \right) + \ce{Cu^{2+}} \left( aq \right) \rightarrow \ce{Zn^{2+}} \left( aq \right) + \ce{Cu} \left( s \right)\nonumber$

Резюме

Вольтаїчна клітина - це електрохімічна клітина, яка використовує спонтанну окислювально-відновну реакцію для отримання електричної енергії.
Структура вольтаїчної клітини включає дві напівклітини; кожна з яких є однією частиною вольтаїчної клітини, в якій відбувається або окислення, або відновлення напівреакції, і кожна з яких містить електрод.
- Електрод, при якому відбувається окислення, називається анодом.
- Електрод, при якому відбувається зменшення, називається катодом.
Наведено реакції, що виробляють потік електронів.