Free Press

Termeni

• celulă voltaicăO celulă, cum ar fi cea a unei baterii, în care o reacție chimică ireversibilă generează electricitate; o celulă care nu poate fi reîncărcată.
• redoxReacție chimică reversibilă în care o reacție este o oxidare și cea inversă este o reducere.
• jumătate de celulăUna dintre cele două părți ale unei celule electrochimice care conține un electrod și un electrolit.

O celulă electrochimică este un dispozitiv care produce un curent electric din energia eliberată de o reacție redox spontană. Acest tip de celulă include celula galvanică, sau voltaică, numită după Luigi Galvani și Alessandro Volta. Acești oameni de știință au efectuat mai multe experimente privind reacțiile chimice și curentul electric la sfârșitul secolului al XVIII-lea.

Pilele electrochimice au doi electrozi conductori, numiți anod și catod. Anodul este definit ca fiind electrodul în care are loc oxidarea. Catodul este electrodul unde are loc reducerea. Electrozii pot fi realizați din orice materiale suficient de conductoare, cum ar fi metale, semiconductori, grafit și chiar polimeri conductori. Între acești electrozi se află electrolitul, care conține ioni care se pot mișca liber.

Pila voltaică utilizează doi electrozi metalici diferiți, fiecare într-o soluție de electrolit. Anodul va suferi oxidare, iar catodul va suferi reducere. Metalul anodului se va oxida, trecând de la o stare de oxidare 0 (în formă solidă) la o stare de oxidare pozitivă și va deveni un ion. La catod, ionul metalic din soluție va accepta unul sau mai mulți electroni de la catod, iar starea de oxidare a ionului se va reduce la 0. Se formează astfel un metal solid care se depune pe catod. Cei doi electrozi trebuie să fie conectați electric unul la celălalt, permițând un flux de electroni care părăsesc metalul anodului și trec prin această conexiune către ionii de la suprafața catodului. Acest flux de electroni este un curent electric care poate fi folosit pentru a efectua un lucru, cum ar fi pornirea unui motor sau alimentarea unei lumini.

Exemplu de reacție

Principiul de funcționare al celulei voltaice este o reacție simultană de oxidare și reducere, numită reacție redox. Această reacție redox este formată din două semi-reacții. Într-o celulă voltaică tipică, perechea redox este formată din cupru și zinc, reprezentată în următoarele reacții semicelulare:

Electrod de zinc (anod): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-

Electrod de cupru (catod): Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)

Celele se construiesc în pahare separate. Electrozii metalici sunt scufundați în soluții de electrolit. Fiecare semicelulă este conectată printr-o punte de sare, care permite transportul liber al speciilor ionice între cele două celule. Când circuitul este complet, curentul circulă și celula „produce” energie electrică.

Cuprul oxidează ușor zincul; anodul este zincul și catodul este cuprul. Anionii din soluții sunt sulfați ai metalelor respective. Când un dispozitiv conducător de electricitate conectează electrozii, reacția electrochimică este:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

Electrodul de zinc produce doi electroni pe măsură ce este oxidat (Zn ȋncrucișează Zn^{2+} + 2e^-), care se deplasează prin fir până la catodul de cupru. Electronii găsesc apoi Cu2+ în soluție, iar cuprul este redus la cupru metalic (Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu). În timpul reacției, electrodul de zinc va fi folosit și metalul se va micșora în dimensiune, în timp ce electrodul de cupru va deveni mai mare datorită Cu-ului depus care este produs. O punte de sare este necesară pentru a menține fluxul de sarcină prin celulă. Fără o punte de sare, electronii produși la anod s-ar acumula la catod și reacția ar înceta să mai funcționeze.

Celele fotovoltaice sunt utilizate de obicei ca sursă de energie electrică. Prin natura lor, ele produc curent continuu. O baterie este un set de celule voltaice care sunt conectate în paralel. De exemplu, o baterie plumb-acid are celule cu anozi compuși din plumb și catozi compuși din dioxid de plumb.