Free Press

Termen

• voltaïsche celEen cel, zoals in een batterij, waarin een onomkeerbare chemische reactie elektriciteit opwekt; een cel die niet kan worden opgeladen.
• redoxEen omkeerbare chemische reactie waarbij de ene reactie een oxidatie is en de omgekeerde een reductie.
• halfcelEen van de twee delen van een elektrochemische cel die een elektrode en een elektrolyt bevat.

Een elektrochemische cel is een apparaat dat een elektrische stroom opwekt uit energie die vrijkomt bij een spontane redoxreactie. Tot dit soort cellen behoort de galvanische of voltaïsche cel, genoemd naar Luigi Galvani en Alessandro Volta. Deze wetenschappers voerden aan het eind van de 18e eeuw verschillende experimenten uit met chemische reacties en elektrische stroom.

Elektrochemische cellen hebben twee geleidende elektroden, die de anode en de kathode worden genoemd. De anode wordt gedefinieerd als de elektrode waar de oxidatie plaatsvindt. De kathode is de elektrode waar de reductie plaatsvindt. Elektroden kunnen worden gemaakt van alle voldoende geleidende materialen, zoals metalen, halfgeleiders, grafiet en zelfs geleidende polymeren. Tussen deze elektroden bevindt zich de elektrolyt, die ionen bevat die zich vrij kunnen bewegen.

De voltaïsche cel maakt gebruik van twee verschillende metalen elektroden, elk in een elektrolytoplossing. De anode zal oxidatie ondergaan en de kathode zal reductie ondergaan. Het metaal van de anode zal oxideren, van een oxidatietoestand 0 (in vaste vorm) naar een positieve oxidatietoestand gaan, en het zal een ion worden. Aan de kathode zal het metaalion in de oplossing één of meer elektronen van de kathode accepteren, en de oxidatietoestand van het ion zal verminderen tot 0. Dit vormt een vast metaal dat neerslaat op de kathode. De twee elektroden moeten elektrisch met elkaar verbonden zijn, zodat er een stroom elektronen kan vloeien die het metaal van de anode verlaat en via deze verbinding naar de ionen aan het oppervlak van de kathode stroomt. Deze stroom elektronen vormt een elektrische stroom die kan worden gebruikt om arbeid te verrichten, zoals het laten draaien van een motor of het aandrijven van een lamp.

Voorbeeldreactie

Het werkingsprincipe van de voltaïsche cel is een gelijktijdige oxidatie- en reductiereactie, die een redoxreactie wordt genoemd. Deze redoxreactie bestaat uit twee halfreacties. In een typische voltaïsche cel is het redoxpaar koper en zink, weergegeven in de volgende halfcelreacties:

Zinkelektrode (anode): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-

Koperelektrode (kathode): Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)

De cellen worden in afzonderlijke bekers gebouwd. De metaalelektroden zijn ondergedompeld in elektrolytoplossingen. Elke halve cel is verbonden door een zoutbrug, die het vrije transport van ionische stoffen tussen de twee cellen mogelijk maakt. Wanneer het circuit is voltooid, vloeit de stroom en “produceert” de cel elektrische energie.

Koper oxideert zink gemakkelijk; de anode is zink en de kathode is koper. De anionen in de oplossingen zijn sulfaten van de respectieve metalen. Wanneer een elektrisch geleidend apparaat de elektroden met elkaar verbindt, is de elektrochemische reactie:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

De zinkelektrode produceert twee elektronen als hij wordt geoxideerd (Zn ruwarrow Zn^{2+} + 2e^-), die door de draad naar de koperkathode gaan. De elektronen vinden dan het Cu2+ in de oplossing en het koper wordt gereduceerd tot kopermetaal (Cu^{2+} + 2e^- rightarrow Cu). Tijdens de reactie wordt de zinkelektrode gebruikt en zal het metaal kleiner worden, terwijl de koperelektrode groter wordt door het afgezette Cu dat wordt geproduceerd. Een zoutbrug is nodig om de lading door de cel te laten stromen. Zonder een zoutbrug zouden de elektronen die aan de anode worden geproduceerd, zich aan de kathode ophopen en zou de reactie stoppen.

Voltaïsche cellen worden gewoonlijk gebruikt als bron van elektrische energie. Door hun aard produceren zij gelijkstroom. Een batterij is een set van voltaische cellen die parallel zijn aangesloten. Een loodzuur-batterij heeft bijvoorbeeld cellen waarvan de anodes uit lood bestaan en de kathodes uit looddioxide.

http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolytic
Wikipedia
CC BY-SA 3.0.

http://en.wikibooks.org/wiki/General_Chemistry/Redox_Reactions/Electrochemistry
Wikibooks
CC BY-SA 3.0.