Tanulási cél
- Emlékezzünk arra, hogy a redukció… a redukció a katódon, az oxidáció pedig az anódon történik egy voltaelemben
Főbb pontok
- Az oxidáció egy molekula elektronvesztését írja le, atom vagy ion elvesztése.
- A redukció egy molekula, atom vagy ion elektronnyerését írja le.
- Az elektronok mindig az anódtól a katód felé áramlanak.
- A félcellákat sóhíd köti össze, amely lehetővé teszi, hogy az oldatban lévő ionok az egyik félcellából a másikba jussanak, így a reakció folytatódhat.
Fogalmak
- voltaikus cellaEgy olyan cella, például egy akkumulátorban, amelyben egy irreverzibilis kémiai reakció elektromos áramot termel; olyan cella, amely nem tölthető újra.
- redoxA reverzibilis kémiai reakció, amelyben az egyik reakció oxidáció, a másik pedig redukció.
- félcellaEgy elektrokémiai cella két részének valamelyike, amely egy elektródot és egy elektrolitot tartalmaz.
Az elektrokémiai cella olyan eszköz, amely spontán redoxireakció által felszabaduló energiából elektromos áramot termel. Az ilyen típusú cellák közé tartozik a Luigi Galvaniról és Alessandro Voltáról elnevezett galván- vagy voltaikus cella. Ezek a tudósok a 18. század végén számos kísérletet végeztek kémiai reakciókkal és elektromos árammal kapcsolatban.
Az elektrokémiai cellák két vezető elektródával rendelkeznek, amelyeket anódnak és katódnak neveznek. Az anódot úgy határozzák meg, mint azt az elektródot, ahol az oxidáció végbemegy. A katód az az elektród, ahol a redukció zajlik. Az elektródák bármilyen megfelelően vezető anyagból készülhetnek, például fémekből, félvezetőkből, grafitból vagy akár vezető polimerekből. Az elektródák között van az elektrolit, amely szabadon mozgó ionokat tartalmaz.
A voltaelem két különböző fémelektródát használ, mindegyik egy-egy elektrolitoldatban. Az anódon oxidáció, a katódon pedig redukció megy végbe. Az anód fémje oxidálódik, 0 oxidációs állapotból (szilárd állapotban) pozitív oxidációs állapotba kerül, és ionná alakul. A katódon az oldatban lévő fémion egy vagy több elektront vesz fel a katódtól, és az ion oxidációs állapota 0-ra csökken. Ezáltal szilárd fém keletkezik, amely lerakódik a katódon. A két elektródnak elektromosan össze kell kapcsolódnia egymással, lehetővé téve az elektronok áramlását, amelyek elhagyják az anód fémjét, és ezen a kapcsolaton keresztül a katód felületén lévő ionokhoz áramlanak. Ez az elektronáramlás elektromos áramot jelent, amelyet munkára lehet használni, például egy motor bekapcsolására vagy egy lámpa működtetésére.
Példareakció
A voltaelem működési elve egy egyidejű oxidációs és redukciós reakció, az úgynevezett redoxireakció. Ez a redoxireakció két félreakcióból áll. Egy tipikus voltaelemben a redoxpár a réz és a cink, amelyet a következő félcellareakciók képviselnek:
Cinkelektród (anód): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-
Rézelektród (katód): Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)
A cellákat külön főzőpohárban építjük fel. A fémelektródákat elektrolitoldatokba merítjük. Az egyes félcellákat sóhíd köti össze, amely lehetővé teszi az ionfajok szabad szállítását a két cella között. Amikor az áramkör teljes, áram folyik, és a cella elektromos energiát “termel”.
A réz könnyen oxidálja a cinket; az anód a cink, a katód pedig a réz. Az oldatokban lévő anionok az adott fémek szulfátjai. Amikor egy elektromosan vezető eszköz összeköti az elektródákat, az elektrokémiai reakció a következő:
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
A cinkelektród oxidációja során két elektron keletkezik (Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-), amelyek a vezetéken keresztül a rézkatódba jutnak. Az elektronok ezután megtalálják az oldatban lévő Cu2+ -t, és a réz rézfémmé redukálódik (Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu). A reakció során a cinkelektródot használjuk, és a fém mérete zsugorodik, míg a rézelektród a keletkező lerakódott Cu miatt nagyobb lesz. Egy sóhídra van szükség ahhoz, hogy a töltés a cellán keresztül áramoljon. Sóhíd nélkül az anódon keletkező elektronok felhalmozódnának a katódon, és a reakció leállna.
A villamosenergia-forrásként jellemzően az elektromos cellákat használják. Természetüknél fogva egyenáramot termelnek. Az akkumulátor párhuzamosan kapcsolt voltaelemek összessége. Például egy ólom-sav akkumulátor olyan cellákból áll, amelyek anódjai ólomból, katódjai pedig ólom-dioxidból állnak.