Celule electrochimice

Funcționarea laptopurilor și a telefonelor și a mașinilor noastre e posibilă numai și numai datorită electronilor care se plimbă de la o specie chimică la alta, în interiorul unei baterii.

Chimia care are loc în interiorul acestor baterii se numește electrochimie, pentru că implică reacții care produc sau consumă electroni.

Mai precis e vorba de reacțiile redox, adică acele reacții în care electronii sunt transferați de la o specie la alta.

În lecția despre coeficienții reacțiilor redox am vorbit și despre ce se întâmplă atunci când introducem o bucată de zinc într-o soluție de sulfa de cuplu.

Atomii de cuplu se depun pe bucata de zinc, iar soluția albastră de sulfa de cuplu se decolorează dreptat, deoarece ionii albaștri cuplu 2 plus sunt înlocuiți în soluție de ionii de zinc 2 plus în color.

Deci aceasta este ecuația reacției.

În timp ce reacția are loc, electronii sar de la bucata de zinc metalic la oricare din ionii cuplu 2 plus în soluție, care se întâmplă să se apropie de zinc.

În aceeași lecție am vorbit și despre faptul că zincul renunță mult mai ușor la electronii lui de valență, fiind un metal mai activ decât cuplul.

Deci zincul se oxidează, cedând doi electroni ionilor de cuplu 2 plus, care astfel se reduc la atom de cuplu metalic.

Și are loc un transfer de electroni, care ne-ar fi foarte util dacă am vrea să avem o bucată de zinc acoperită cu atom de cuplu.

Din acest material sunt făcute de obicei monedele, precum moneda de uncent a americanilor.

Dar adevărul e că asta nu ne ajută foarte mult.

Am avea mult mai mult de câștigat dacă am reușit să separăm semireacția de oxidare de semireacția de reducere.

Adică dacă am reușit să facem în așa fel încât specia care se oxidează și cea care se reduce să se afle la capetele opuse ale unui conductor metalic,

atunci când zincul se oxidează, electronii pe care îi eliberează ar fi forțați să treacă printr-un fir pentru a ajunge la ionii de cuplu 2 plus.

Astfel transferul de electron ar avea loc sub forma unui curent electric care traversează prin firul respectiv.

Deci în acest caz am obține electricitate care ne este indispensabilă în viețile noastre moderne.

Multe din lucrurile care ne înconjoară ziua de azi sunt bazate pe o idee foarte simplă,

folosirea unui dispozitiv care se separe cele două semireacții ce formează reacția redox.

Prin valorificarea energiei obținute astfel, multe din activitățile voastre de azi au fost posibile, inclusiv faptul că vă uitați acum la acest video.

Unul din primele dispozitive pentru producerea unui curent electric constant a fost celula Daniel.

Pe atunci, tehnologia telecomunicațiilor abia se dezvolta și existau cerere mari pentru o sursă constantă și stabilă de electricitate.

Ca răspuns la această cerere, John Daniel a inventat celula Daniel în 1836.

Deci Daniel a făcut ceea ce a însubliniat mai devreme, a separat zincul metalic de ionii de cupru,

astfel încât electronii eliberați de zinc trebuie să treacă printr-un fil metalic extern pentru a ajunge la ionii cupru 2+.

Pentru a realiza această separare, Daniel a introdus un vaz de ceramică ce conținea sulfat de cupru și o bucată de zinc

într-un vaz de cupru ce conținea o soluție de sulfat de cupru.

Ceramica nezmălțuită este poroasă, astfel încât apa poate trece prin pori,

iar ionii dizolvați în apă pot migra și ei, asigurând astfel neutralitatea soluției și continuitatea reacției.

Aceasta este reprezentarea schematică a celulei Daniel.

Și aceasta este o fotografie cu celulele făcute de Daniel în 1836,

care se găsesc acum ca exponat în Muzeul Național de Istorie din Washington.

Așadar, o celulă electrochimică este un dispozitiv în care energia chimică e transformată în energie electrică.

Deci, bateriile din aparatele electronice portabile, din lanterne, bateriile de ceas sau de calculator sau acumulatorul de la mașini

sunt toate exemple de celule electrochimice.

Aceste celule se mai numesc și elemente galvanice sau elemente voltaice.

Aceste denumiri sunt date după numele fizicienilor italieni Luigi Galvanii, respectiv Alessandro Volta.

Cei doi au inventat celulele electrochimice în urma unor experimente.

Galvanii încerca să înțeleagă anumite aspecte ale fiziologiei animale și a bioelectricității,

în timp ce Volta încerca să-i contrazică teoria.

Primele astfel de baterii au fost extraordinar de importante pentru experimente,

însă, în practică, energia lor electrică fluctua prea mult și nu puteau produce o cantitate suficientă de curent pentru o perioadă mai lungă de timp.

De aceea, dispozitivul inventat de John Daniel a fost prima sursă practică de electricitate.

Putem confecționa și noi în laboratorul noastră de dispozitiv, însă, pentru a înțelege funcționarea unei celule electrochimice,

sunt necesare câteva noțiuni.

Pentru ca dispozitivul să funcționeze, avem nevoie de substanțe care să asigure trecerea curentului electric.

Aceste substanțe se numesc substanțe conductoare sau conductor.

Conductorii electrici sunt de două feluri.

Conductori metalici sau electrolizi.

Purtătorii de sarcină sunt electronii în conductorii metalici și ionii în electrolizi.

Acizii, bazele și sărurile sunt electrolizi numai în soluție sau în topitură.

Conductibilitatea lor electrică se explică prin mobilitatea ionilor care se formează în urma reacțiilor de ionizare.

Substantele care nu conduc curentul electric în nicio stare de agregare se numesc neelectrolizi sau izolatori.

Exemple de astfel de substanțe sunt sulful sau plasticul.

Celula electrochimică e alcătuită din două electrozi, o punte de sare și un conductor metalic exterior.

Electrodul este de fapt un solid ce se află într-o soluție care conține o specie activă redox, adică ion sau molecule care pot lua parte de la reacții redox.

La interfața dintre solid și soluție se produc reacțiile de oxidare sau de reducere, adică are loc transferul de electrod.

Prin convenție, electrodul la care are loc reacția de oxidare se numește anod și se simbolizează prin semnul minus,

iar electrodul la care are loc reacția de reducere se numește catod și se simbolizează prin simbolul plus.

Doi electrozi pot fi asociați pentru a alcătui un element galvanic sau celul electrochimică.

Ansamblul constituit din plăcuta de metal și soluția de electrolit se numește semicelulă galvanică.

Un element galvanic e alcătuit din două semicelule împreună cu conductorul ionic, adică cu soluția de electrolit din puntea de sare.

Puntea de sare e de obicei un tub gol de sticlă care conține o soluție concentrată de sare, de exemplu clorură de potasiu, azotat de sodiu sau clorură de amoniu.

Această soluție are ion cu mobilitate ridicată, deci puntea de sare oferă ionilor o cale de a circula dintr-un pas în altul pentru a menține cele două soluții ineutre și pentru a înghide circuitul electric.

Iar conductorul metalic este firul care leagă cei doi electrozi și permite transportul electronilor de la anod la catod.

În circuitul exterior poate fi legat și un volmetru care indică voltajul curentului de electrode care va trece prin fir.

În momentul în care puntea de sare e la locul ei făcând legătura între cei doi electrozi, electronii vor începe să circule prin conductorul metalic.

Haideți să vedem care sunt procesele care au loc în elementul galvanic de anil la închiderea circuitului electric, adică atunci când pune puntea de sare între electrozi.

Anodul este electrodul la care are loc reacția de oxidare, în acest caz reacția de oxidare a zincului.

La marginea electrodului de zinc, atomii de zinc își eliberează electronii care vor circula în restul plăcuței de metal.

Acești atomi de zinc care au cedat electroni se desprinde plăcuță și ajung în soluția de sulfat de zinc sub formă de ion zinc 2+, fiecare ion fiind rapid înconjurat de molecule de apă.

Masa electrodului de zinc scade, iar concentrația ionilor de zinc 2% crește în semicelula zincului.

Electrolitul din puntea de sare va trimite anioni pentru a compensa creșterea sarcinii pozitive, creștere determinată de formarea tot mai mulți ioni de zinc 2+, pe măsură ce reacția evoluează.

Între timp, electronii eliberați de atomii de zinc trec prin circuitul exterior, acționând prin curentul electric astfel transportat orice dispozitiv ar fi legat acolo.

După aceea, electronii intră în celălalt vas.

Celălalt vas conține soluția albastră de sulfat de cupru și o plăcuță de cupru.

Catodul este electrodul la care are loc reacția de reducere, în acest caz, reacția de reducere a cuprului.

Deci, la electrodul de cupru, electronii vor ieși spre suprafața plăcutei și atunci când un ion cupru 2+, din soluție, se apropie îndeajuns, vor sări în învelișul lui electronic, reducându-l astfel la un atom de cupru metalic.

Acești atomi de cupru fie rămân pe suprafață electrodului, fie se strâng mai mulți pe suprafață și cad în soluție ca sediment.

Deci, în semicelul la cuprului, masa electrodului de cupru crește, iar concentrația ionilor cupru 2+, scade.

Astfel, electrolitul din puntea de sare trimite cationi pentru a compensa scăderea sarcinii pozitive, scădere care e determinată de reducere a ionilor cupru 2+.

Pe rănsamblu are loc aceeași reacție ca atunci când introducem zinc în sulfatul de cupru.

Însă, deoarece procesele de oxidare și de reducere au loc în spații separate, în acest fel reacția a genera curente electric.

Celulele electrochimice, sau elementele galvanice, sunt simbolizate prin convenție în felul următor.

Deoarece procesele de oxidare și de reducere au loc în spații separate, în acest fel reacția a genera curente electric.

Celulele electrochimice, sau elementele galvanice, sunt simbolizate prin convenție în felul următor.

Simbolul anodului în stânga, aceasta este granița dintre electrod și electrolit.

Apoi primul electrolit, puntea de sare se reprezintă prin două linii paralele.

Apoi al doilea electrolit și în dreapta avem simbolul catodului.

Deci simbolul celulei Daniel este următorul.

Aceasta este plăcuța de zinc, apoi sulfatul de zinc.

Împreună acestea formează semicelula 1 și apoi sulfatul de cupru și plăcuța de cupru, care formează împreună semicelula 2.

Până la mijlocul secolului al XIX-lea, celulele electrochimice au fost singurele surse de curente electric utilizabile.

Descoperirea dinamului, o mașină electrică rotativă care generează curent continuu, e o sursă mai economică și cu o capacitate mai mare.

Cu toate acestea este o creștere mare a cerințelor de astfel de celule.

Această creștere e determinată de descoperirea unor noi tipuri de celule electrochimice, care să nu mai necesită utilizarea soluțiilor lichide,

cât și de dezvoltarea unor noi ramuri ale tehnicii, precum telefonia mobilă.

Tehnologia electronică portabilă a zilelor noastre e departe de vasele de ceramică, însă principiul a rămas același.

În mod curent se utilizează următoarele tipuri de celule.

Celulele primare

Acestea sunt celule de unică folosință, care nu se încarcă, de exemplu bateriile pentru lanternă sau pentru ceas.

Apoi avem celulele secundare

Acestea sunt celule care se pot reîncărca sau acumulatorii, de exemplu bateria unui laptop sau unui telefon mobil, sau chiar și acumulatorul cu plumb.

Acumulatorul cu plumb este prima celulă galvanică reîncărcabilă, construită în 1859 de fizicianul francez Gaston Plantet.

Acumulatorul cu plumb se utilizează și astăzi la automobile.

Și un al treilea tip de celule sunt pilele de combustie.

Celulele electrochimice moderne mai sunt cunoscute și sub denumirea de pile uscate sau baterii.

Termenul de celulă electrochimică nu e sinonim cu cel de pilă.

O pilă e formată din mai multe celule electrochimice.

După cum vedem în această imagine, dispozitivul inventat de Daniel avea nevoie de mai multe celule pentru a genera suficient curent electric.

De aceea este foarte cunoscută denumirea de Pila Daniel.

Bineînțeles, Pila Daniel nu mai este utilizată în mod curent.

Am văzut în lecția aceasta câteva dintre aplicațiile reacțiilor Redox care ne sunt benefice, dar bineînțeles că există și reacții Redox care au consecințe negative.

Lecția viitoare vom vorbi despre coroziune și despre protecție anticorozivă.