Elektrochemický článok

Typy chemických článkov

• Jednoduchá bunka
• Suchý článok
• Mokrá bunka
• Palivový článok
• Solárny článok
• Elektrický článok

Elektrochemické články

Mimoriadne dôležitá trieda oxidačných a redukčných reakcií sa používa na zabezpečenie užitočnej elektrickej energie v batériách. Jednoduchý elektrochemický článok možno vyrobiť z kovov medi a zinku s roztokmi ich síranov. V priebehu reakcie sa môžu elektróny prenášať zo zinku na meď elektricky vodivou cestou ako užitočný elektrický prúd.

Elektrochemický článok možno vytvoriť umiestnením kovových elektród do elektrolytu, kde chemická reakcia buď využíva, alebo vytvára elektrický prúd. Elektrochemické články, ktoré generujú elektrický prúd, sa nazývajú voltové alebo galvanické články a bežné batérie pozostávajú z jedného alebo viacerých takýchto článkov. V iných elektrochemických článkoch sa používa externe dodávaný elektrický prúd na riadenie chemickej reakcie, ktorá by nenastala spontánne. Takéto články sa nazývajú elektrolytické články.

Voltaické články

Elektrochemický článok, v ktorom tečie vonkajší elektrický prúd, možno vytvoriť pomocou dvoch rôznych kovov, pretože kovy sa líšia svojou tendenciou strácať elektróny. Zinok stráca elektróny ľahšie ako meď, takže umiestnenie kovového zinku a medi do roztokov ich solí môže spôsobiť tok elektrónov cez vonkajší vodič, ktorý vedie od zinku k medi. Keďže atóm zinku poskytuje elektróny, stáva sa kladným iónom a prechádza do vodného roztoku, čím sa znižuje hmotnosť zinkovej elektródy. Na strane medi dva prijaté elektróny umožnia premeniť ión medi z roztoku na nenabitý atóm medi, ktorý sa usadí na medenej elektróde, čím sa zvýši jej hmotnosť. Tieto dve reakcie sa zvyčajne zapisujú

Zn(s) --> Zn²⁺(aq) + 2e

Cu²⁺(aq) + 2e ^---> Cu(s)

Písmená v zátvorkách len pripomínajú, že zinok prechádza z pevného skupenstva (s) do vodného roztoku (aq) a naopak meď. V jazyku elektrochémie je typické označovať tieto dva procesy ako "polreakcie", ktoré prebiehajú na dvoch elektródach.

Aby voltážny článok naďalej produkoval vonkajší elektrický prúd, musí dochádzať k pohybu síranových iónov v roztoku sprava doľava, aby sa vyrovnal tok elektrónov vo vonkajšom obvode. Samotným iónom kovov sa musí zabrániť v pohybe medzi elektródami, takže nejaký druh poréznej membrány alebo iný mechanizmus musí zabezpečiť selektívny pohyb záporných iónov v elektrolyte sprava doľava.

Na presun elektrónov zo zinkovej na medenú elektródu je potrebná energia a množstvo energie na jednotku náboja dostupného z voltového článku sa nazýva elektromotorická sila (emf) článku. Energia na jednotku náboja sa vyjadruje vo voltoch (1 volt = 1 joule/coulomb).

Je zrejmé, že na získanie energie z bunky je potrebné získať viac energie uvoľnenej oxidáciou zinku, ako je potrebné na redukciu medi. Článok môže z tohto procesu získať konečné množstvo energie, pričom proces je obmedzený množstvom dostupného materiálu buď v elektrolyte, alebo v kovových elektródach. Napríklad, ak by bol na strane medi jeden mól sulfátových iónov SO₄^2-, potom je proces obmedzený na prenos dvoch molov elektrónov cez vonkajší obvod. Množstvo elektrického náboja obsiahnutého v jednom móle elektrónov sa nazýva Faradayova konštanta a rovná sa Avogadrovmu číslu krát náboj elektrónov:

Faradayova konštanta = F = _ANe = 6,022 x 10²³ x 1,602 x 10^-19 = 96,485 coulombov/mola

Výťažok energie z voltového článku je daný súčinom napätia článku a počtu molekúl prenesených elektrónov krát Faradayova konštanta.

Výstupná elektrická energia = nFE

Emf článku E_cell možno predpovedať zo štandardných elektródových potenciálov pre dva kovy. Pre zinkovo-medený článok za štandardných podmienok je vypočítaný potenciál článku 1,1 V.

Jednoduchá bunka

Jednoduchý článok má zvyčajne dosky z medi (Cu) a zinku (Zn) v zriedenej kyseline sírovej. Zinok sa rozpúšťa a na medenej platni sa objavujú bublinky vodíka. Tieto vodíkové bubliny bránia priechodu prúdu, takže jednoduchý článok možno používať len krátky čas. Na zabezpečenie stabilného prúdu je potrebný depolarizátor (oxidačné činidlo) na oxidáciu vodíka. V Danielovom článku je depolarizátorom síran meďnatý, ktorý vymieňa vodík za meď. V Leclancheho batérii je depolarizátorom oxid manganičitý, ktorý oxiduje vodík na vodu.

Daniel bunka

Anglický chemik John Frederick Daniell vyvinul v roku 1836 voltaický článok, ktorý využíval zinok a meď a roztoky ich iónov.

Kľúč

• Zinková tyč = záporná svorka
• ₂HSO₄ = elektrolyt zriedenej kyseliny sírovej
• Porézny hrniec oddeľuje dve kvapaliny
• CuSO₄ = depolarizátor síranu meďnatého
• Medený hrniec = kladná svorka