Free Press

Termer

• voltaisk cellEn cell, t.ex. i ett batteri, där en irreversibel kemisk reaktion genererar elektricitet; en cell som inte kan laddas upp.
• RedoxEn reversibel kemisk reaktion där den ena reaktionen är en oxidation och den omvända är en reduktion.
• halvcellEn av de två delarna av en elektrokemisk cell som innehåller en elektrod och en elektrolyt.

En elektrokemisk cell är en anordning som producerar en elektrisk ström från energi som frigörs av en spontan redoxreaktion. Till denna typ av cell hör den galvaniska cellen, eller voltacellen, som är uppkallad efter Luigi Galvani och Alessandro Volta. Dessa vetenskapsmän utförde flera experiment om kemiska reaktioner och elektrisk ström under slutet av 1700-talet.

Elektrokemiska celler har två ledande elektroder, som kallas anod och katod. Anoden definieras som den elektrod där oxidation sker. Katoden är den elektrod där reduktion sker. Elektroder kan tillverkas av alla tillräckligt ledande material, t.ex. metaller, halvledare, grafit och till och med ledande polymerer. Mellan elektroderna finns elektrolyten, som innehåller joner som kan röra sig fritt.

I den voltaiska cellen används två olika metallelektroder, var och en i en elektrolytlösning. Anoden kommer att genomgå oxidation och katoden kommer att genomgå reduktion. Metallen i anoden kommer att oxidera och gå från oxidationstillstånd 0 (i fast form) till ett positivt oxidationstillstånd, och den kommer att bli en jon. Vid katoden kommer metalljonen i lösningen att ta emot en eller flera elektroner från katoden, och jonens oxidationstillstånd kommer att reduceras till 0. Detta bildar en fast metall som avsätts på katoden. De två elektroderna måste vara elektriskt anslutna till varandra, vilket möjliggör ett flöde av elektroner som lämnar anodens metall och som genom denna anslutning flödar till jonerna på katodens yta. Detta flöde av elektroner är en elektrisk ström som kan användas för att utföra arbete, t.ex. för att driva en motor eller driva en lampa.

Exempel på reaktion

Voltacellen fungerar enligt en samtidig oxidations- och reduktionsreaktion, en så kallad redoxreaktion. Denna redoxreaktion består av två halvreaktioner. I en typisk voltacellen är redoxparet koppar och zink, som representeras av följande halvcellsreaktioner:

Zinkelektrod (anod): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-

Kopparelektrod (katod): Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)

Cellerna konstrueras i separata bägare. Metallelektroderna är nedsänkta i elektrolytlösningar. Varje halvcell är förbunden med en saltbrygga som möjliggör fri transport av joniska arter mellan de två cellerna. När kretsen är sluten flyter strömmen och cellen ”producerar” elektrisk energi.

Koppar oxiderar lätt zink; anoden är zink och katoden är koppar. Anjonerna i lösningarna är sulfater av respektive metall. När en elektriskt ledande anordning förbinder elektroderna är den elektrokemiska reaktionen:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

Zinkelektroden producerar två elektroner när den oxideras (Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-), som färdas genom ledningen till kopparkatoden. Elektronerna hittar sedan Cu2+ i lösningen och kopparen reduceras till kopparmetall (Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu). Under reaktionen kommer zinkelektroden att användas och metallen kommer att krympa i storlek, medan kopparelektroden kommer att bli större på grund av den deponerade Cu som produceras. En saltbrygga är nödvändig för att hålla laddningen flödande genom cellen. Utan en saltbrygga skulle de elektroner som produceras vid anoden ansamlas vid katoden och reaktionen skulle sluta löpa.

Voltacellen används vanligtvis som en källa till elektrisk kraft. Till sin natur producerar de likström. Ett batteri är en uppsättning voltaiska celler som är parallellkopplade. Ett bly-syrabatteri har till exempel celler med anoder som består av bly och katoder som består av blydioxid.