Free Press

Terminy

• ogniwo woltaiczneOgniwo, takie jak w baterii, w którym nieodwracalna reakcja chemiczna wytwarza energię elektryczną; ogniwo, które nie może być ponownie naładowane.
• redoksOdwracalna reakcja chemiczna, w której jedna reakcja jest utlenianiem, a odwrotna redukcją.
• półogniwoKażda z dwóch części ogniwa elektrochemicznego zawierająca elektrodę i elektrolit.

Ogniwo elektrochemiczne to urządzenie, które wytwarza prąd elektryczny z energii uwalnianej w spontanicznej reakcji redoks. Do tego rodzaju ogniw należy ogniwo galwaniczne lub woltaiczne, nazwane tak na cześć Luigiego Galvaniego i Alessandra Volty. Naukowcy ci przeprowadzili kilka eksperymentów dotyczących reakcji chemicznych i prądu elektrycznego pod koniec XVIII wieku.

Ogniwa elektrochemiczne mają dwie elektrody przewodzące, zwane anodą i katodą. Anoda jest definiowana jako elektroda, na której zachodzi utlenianie. Katoda to elektroda, na której zachodzi redukcja. Elektrody mogą być wykonane z dowolnych materiałów wystarczająco przewodzących, takich jak metale, półprzewodniki, grafit, a nawet przewodzące polimery. Pomiędzy tymi elektrodami znajduje się elektrolit, zawierający jony, które mogą się swobodnie przemieszczać.

Ogniwo woltaiczne wykorzystuje dwie różne elektrody metalowe, każda w roztworze elektrolitu. Anoda będzie ulegać utlenianiu, a katoda redukcji. Metal na anodzie będzie się utleniał, przechodząc ze stanu utlenienia 0 (w postaci stałej) do dodatniego stanu utlenienia i stanie się jonem. Na katodzie, jon metalu w roztworze przyjmie jeden lub więcej elektronów z katody, a stan utlenienia jonu zmniejszy się do 0. W ten sposób powstaje stały metal, który osadza się na katodzie. Dwie elektrody muszą być elektrycznie połączone ze sobą, co umożliwia przepływ elektronów, które opuszczają metal anody i przepływają przez to połączenie do jonów na powierzchni katody. Ten przepływ elektronów to prąd elektryczny, który może być użyty do wykonania pracy, takiej jak obrót silnika lub zasilanie światła.

Przykładowa reakcja

Zasadą działania ogniwa woltaicznego jest jednoczesna reakcja utleniania i redukcji, zwana reakcją redoks. Ta reakcja redoks składa się z dwóch pół-reakcji. W typowym ogniwie woltaicznym parą redoks są miedź i cynk, reprezentowane w następujących reakcjach połówkowych:

Elektroda cynkowa (anoda): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-

Elektroda miedziana (katoda): Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)

Ogniwa zbudowane są w oddzielnych zlewkach. Metalowe elektrody są zanurzone w roztworach elektrolitów. Każde półogniwo połączone jest mostkiem solnym, który umożliwia swobodny transport jonów pomiędzy dwoma ogniwami. Kiedy obwód jest kompletny, prąd płynie i ogniwo „produkuje” energię elektryczną.

Miedź łatwo utlenia cynk; anodą jest cynk, a katodą miedź. Aniony w roztworach są siarczanami odpowiednich metali. Gdy urządzenie przewodzące prąd elektryczny połączy elektrody, zachodzi reakcja elektrochemiczna:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

Elektroda cynkowa wytwarza dwa elektrony w procesie utleniania (Zn ^{2+} + 2e^-), które przechodzą przez przewód do katody miedzianej. Elektrony następnie odnajdują Cu2+ w roztworze i miedź zostaje zredukowana do miedzi (Cu^{2+} + 2e^- ^rightarrow Cu). Podczas reakcji, elektroda cynkowa będzie używana i metal będzie się kurczył, podczas gdy elektroda miedziana stanie się większa z powodu osadzającego się Cu, który jest wytwarzany. Mostek solny jest niezbędny do utrzymania przepływu ładunku przez ogniwo. Bez mostka solnego, elektrony produkowane na anodzie gromadziłyby się na katodzie i reakcja przestałaby przebiegać.

Ogniwa fotowoltaiczne są zazwyczaj używane jako źródło energii elektrycznej. Ze swej natury wytwarzają one prąd stały. Akumulator to zestaw ogniw woltaicznych połączonych równolegle. Na przykład, bateria kwasowo-ołowiowa ma ogniwa z anodami składającymi się z ołowiu i katodami składającymi się z dwutlenku ołowiu.

.