Free Press

Termit

• volttikennoKenno, kuten akussa, jossa irreversiibeli kemiallinen reaktio tuottaa sähköä; kenno, jota ei voi ladata uudelleen.
• redoxReversiibeli kemiallinen reaktio, jossa toinen reaktio on hapettumista ja päinvastainen pelkistymistä.
• puolikennoJompikumpi sähkökemiallisen kennon kahdesta osasta, jotka sisältävät elektrodin ja elektrolyytin.

Elektrokemiallinen kenno on laite, joka tuottaa sähkövirtaa spontaanin redox-reaktion vapauttamasta energiasta. Tällaisia kennoja ovat esimerkiksi galvaaninen eli voltainen kenno, joka on nimetty Luigi Galvanin ja Alessandro Voltan mukaan. Nämä tutkijat tekivät useita kemiallisia reaktioita ja sähkövirtaa koskevia kokeita 1700-luvun lopulla.

Sähkökemiallisissa kennoissa on kaksi johtavaa elektrodia, joita kutsutaan anodiksi ja katodiksi. Anodi määritellään elektrodiksi, jossa tapahtuu hapettuminen. Katodi on elektrodi, jossa tapahtuu pelkistyminen. Elektrodit voidaan valmistaa mistä tahansa riittävän johtavasta materiaalista, kuten metalleista, puolijohteista, grafiitista ja jopa johtavista polymeereistä. Näiden elektrodien välissä on elektrolyytti, joka sisältää vapaasti liikkuvia ioneja.

Volttikennossa käytetään kahta erilaista metallielektrodia, jotka molemmat ovat elektrolyyttiliuoksessa. Anodilla tapahtuu hapettumista ja katodilla pelkistymistä. Anodin metalli hapettuu, siirtyen hapetusasteesta 0 (kiinteässä muodossa) positiiviseen hapetusasteeseen, ja siitä tulee ioni. Katodilla liuoksessa oleva metalli-ioni ottaa vastaan yhden tai useamman elektronin katodilta, ja ionin hapetusaste pelkistyy arvoon 0. Näin muodostuu kiinteä metalli, joka kerrostuu katodille. Kahden elektrodin on oltava sähköisesti kytketty toisiinsa, jotta anodin metallista lähtevät elektronit voivat virrata tämän yhteyden kautta katodin pinnalla oleviin ioneihin. Tämä elektronivirta on sähkövirta, jota voidaan käyttää työn tekemiseen, kuten moottorin pyörittämiseen tai valon käyttämiseen.

Esimerkki reaktiosta

Volttokennon toimintaperiaate on samanaikainen hapettumis- ja pelkistymisreaktio, jota kutsutaan redox-reaktioksi. Tämä redox-reaktio koostuu kahdesta puolireaktiosta. Tyypillisessä volttikennossa redox-parina ovat kupari ja sinkki, joita edustavat seuraavat puolikennoreaktiot:

Sinkkielektrodi (anodi): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-

Kuparielektrodi (katodi): Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)

Kennot on rakennettu erillisiin dekantterilaseihin. Metallielektrodit upotetaan elektrolyyttiliuoksiin. Kumpikin puolikenno on yhdistetty suolasillalla, joka mahdollistaa ionilajien vapaan kulkeutumisen kahden kennon välillä. Kun virtapiiri on valmis, virta kulkee ja kenno ”tuottaa” sähköenergiaa.

Kupari hapettaa helposti sinkkiä; anodi on sinkkiä ja katodi kuparia. Liuosten anionit ovat kyseisten metallien sulfaatteja. Kun sähköä johtava laite yhdistää elektrodit, sähkökemiallinen reaktio on:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

Sinkkielektrodi tuottaa hapettuessaan kaksi elektronia (Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-), jotka kulkeutuvat johtimen läpi kuparikatodille. Elektronit löytävät sitten liuoksessa olevan Cu2+:n ja kupari pelkistyy kuparimetalliksi (Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu). Reaktion aikana sinkkielektrodia käytetään ja metalli kutistuu kooltaan, kun taas kuparielektrodi muuttuu suuremmaksi syntyvän laskeutuneen Cu:n vuoksi. Suolasilta on tarpeen, jotta varaus virtaa kennon läpi. Ilman suolasiltaa anodilla tuotetut elektronit kasaantuisivat katodille ja reaktio pysähtyisi.

Voltakennoja käytetään tyypillisesti sähköenergian lähteenä. Luonnostaan ne tuottavat tasavirtaa. Paristo on joukko volttikennoja, jotka on kytketty rinnakkain. Esimerkiksi lyijyakussa on kennoja, joiden anodit koostuvat lyijystä ja katodit lyijydioksidista.