תאים אלקטרוכימיים: רכיבים, אופן עבודתם, סוגים, דוגמה - כִּימִיָה - 2025

תאים אלקטרוכימיים הם מכשירים שבהם תגובות כימיות להעביר שבו אנרגיה כימית מומרת לאנרגיה חשמלית או להיפך. תאים אלה מהווים את לב האלקטרוכימיה, כאשר הנשמה היא החלפה פוטנציאלית של אלקטרונים שיכולים להופיע, באופן ספונטני או לא, בין שני מינים כימיים.

אחד משני המינים מתחמצן, מאבד אלקטרונים ואילו השני מצטמצם ומשיג את האלקטרונים המועברים. בדרך כלל המין המופחת הוא קטיון מתכתי בתמיסה, אשר על ידי השגת אלקטרונים בסופו של דבר מופקד באופן חשמלי על אלקטרודה העשויה מאותה מתכת. מצד שני, המין שמתחמצן הוא מתכת, והופך לקטיונים מתכתיים.

תרשים לתא אלקטרוכימי מאת דניאל. מקור: Rehua

לדוגמה, התמונה למעלה מייצגת את התא של דניאל: הפשוט ביותר מבין כל התאים האלקטרוכימיים. אלקטרודת האבץ המתכתי מתחמצנת, ומשחררת את הקטיונים של Zn ²⁺ למדיום המימי. זה מתרחש במיכל ZnSO ₄ שמשמאל.

בצד ימין הפחתה המכילה CuSO ₄ מצטמצמת, והופכת את הקטיונים של Cu ²⁺ לנחושת מתכתית המופקדת על אלקטרודת הנחושת. במהלך התפתחות תגובה זו האלקטרונים עוברים דרך מעגל חיצוני המפעיל את המנגנונים שלו; ולכן אספקת אנרגיה חשמלית להפעלת צוות.

רכיבי תאים אלקטרוכימיים

אלקטרודות

זרמים חשמליים נוצרים או נצרכים בתאים אלקטרוכימיים. כדי להבטיח זרימה מספקת של אלקטרונים חייבים להיות חומרים שהם מוליכי חשמל טובים. כאן נכנסים האלקטרודות והמעגל החיצוני, המסופקים עם חוטי נחושת, כסף או זהב.

האלקטרודות הן החומרים המספקים את פני השטח בהם התגובות יתקיימו בתאים האלקטרוכימיים. ישנם שני סוגים בהתאם לתגובה שמתרחשת בהם:

-אנודה, אלקטרודה בה מתרחשת חמצון

-קטודה, אלקטרודה בה מתרחשת הפחתה

האלקטרודות יכולות להיות עשויות מחומר מגיב, כמו במקרה של התא של דניאל (אבץ ונחושת); או מחומר אינרטי, כפי שקורה כשהם עשויים מפלטינה או גרפיט.

האלקטרונים שמשתחררים על ידי האנודה חייבים להגיע לקתודה; אך לא דרך פיתרון, אלא דרך כבל מתכתי המחבר בין שתי האלקטרודות למעגל חיצוני.

פירוק אלקטרוליטים

הפיתרון שעוטף את האלקטרודות ממלא גם תפקיד חשוב, שכן הוא מועשר באלקטרוליטים חזקים; כגון: KCl, KNO ₃ , NaCl וכו '. יונים אלה מעדיפים, במידה מסוימת, את נדידת האלקטרונים מהאנודה לכיוון הקתודה, כמו גם את הולכתם בסביבת האלקטרודות כדי ליצור אינטראקציה עם המין שיש להפחית.

מי ים, למשל, מוליכים חשמל טוב בהרבה ממים מזוקקים, עם ריכוז יונים נמוך יותר. זו הסיבה שלתאים אלקטרוכימיים יש פירוק אלקטרוליטים חזק בין מרכיביהם.

גשר מלוחים

יוני הפיתרון מתחילים להקיף את האלקטרודות וגורמים לקיטוב של המטענים. הפיתרון סביב הקתודה מתחיל להיות טעון שלילי, עם הקטנת הקטיונים; במקרה של תא דניאל, הקטיונים של Cu ²⁺ כשהם מונחים כנחושת מתכתית על הקתודה. לפיכך, מתחיל להיות גירעון של חיובים חיוביים.

זה המקום בו גשר המלח מתערב כדי לאזן את המטענים ולמנוע את הקיטוב של האלקטרודות. לכיוון הצד או לתא הקתודה, הקטיונים של גשר המלח ינודדים, K ⁺ או Zn ²⁺ , כדי להחליף את ה- Cu ²⁺ הנצרך. בינתיים, NO ₃ ^- אניונים יעברו מן הגשר מלח לכיוון תא האנודה, כדי לנטרל את ריכוז גדל והולך של Zn ²⁺ קטיונים .

גשר המלח מורכב מתמיסה מלוחה רוויה, כאשר קצותיו מכוסים בג'ל חדיר ליונים, אך בלתי חדיר למים.

סוגי תאים אלקטרוכימיים וכיצד הם עובדים

כיצד פועל תא אלקטרוכימי תלוי באיזה סוג הוא. ישנם בעיקרון שני סוגים: גלווני (או וולטאי) ואלקטרוליטי.

גלוונית

התא של דניאל הוא דוגמא לתא אלקטרוכימי גלווני. אצלם התגובות מתרחשות באופן ספונטני והפוטנציאל של הסוללה חיובי; ככל שהפוטנציאל גדול יותר, התא מספק יותר חשמל.

תאים או סוללות הם תאים גלווניים בדיוק: הפוטנציאל הכימי בין שתי האלקטרודות הופך לאנרגיה חשמלית כאשר מתערב מעגל חיצוני המחבר ביניהם. כך האלקטרונים נודדים מהאנודה, מציתים את הציוד שאליו מחוברת הסוללה ומוחזרים ישירות לקתודה.

אלקטרוליטית

תאים אלקטרוליטיים הם אלו שתגובותיהם לא מתרחשות באופן ספונטני, אלא אם כן הם מסופקים עם אנרגיה חשמלית ממקור חיצוני. כאן מתרחשת התופעה ההפוכה: חשמל מאפשר להתפתח תגובות כימיות לא ספונטניות.

אחת התגובות הידועות והיקרות ביותר שמתרחשת בתוך סוג זה של תא היא אלקטרוליזה.

סוללות נטענות הן דוגמאות לתאים אלקטרוליטיים ובו זמנית תאים גלווניים: הם נטענים מחדש כדי להפוך את התגובות הכימיות שלהם ולהקים מחדש את התנאים הראשוניים לשימוש חוזר.

דוגמאות

התא של דניאל

המשוואה הכימית הבאה תואמת את התגובה בתא של דניאל בו משתתפים אבץ ונחושת:

Zn (ים) + Cu ²⁺ (aq) → Zn ²⁺ (aq) + Cu (s)

אבל הקטיונים Cu ²⁺ ו- Zn ²⁺ אינם לבד אלא מלווים באניונים SO ₄ ^2- . ניתן לייצג את התא הזה באופן הבא:

Zn - ZnSO ₄ - - CuSO ₄ - Cu

ניתן לבנות את התא של דניאל בכל מעבדה, והוא חוזר מאוד כפרקטיקה בהקדמה של אלקטרוכימיה. עם הפקדת Cu ²⁺ כ- Cu, הצבע הכחול של תמיסת ה- CuSO ₄ ידהה בהדרגה.

תא מימן פלטינום

דמיין תא שצורך גז מימן, מייצר כסף מתכתי ובאותו זמן מספק חשמל. זהו תא הפלטינה והמימן, והתגובה הכללית שלו היא כדלקמן:

2AgCl (s) + H ₂ (g) → 2Ag (s) + 2H ⁺ + 2Cl ^-

כאן בתא האנודה יש ​​לנו אלקטרודת פלטינה אינרטית, שקועה במים ונשאבת למימן גזי. H ₂ מתחמצן ל- H ⁺ ומוותר על האלקטרונים שלו לתמצית AgCl החלבית בתא הקתודה בעזרת אלקטרודה כסף מתכתי. בכסף זה ה- AgCl יופחת ומסת האלקטרודה תגדל.

ניתן לייצג תא זה כ:

Pt, H ₂ - H ⁺ - - Cl ^- , AgCl - Ag

תא מוריד

ולבסוף, בין התאים האלקטרוליטיים יש לנו את זה של נתרן כלוריד התמזג, הידוע יותר בשם תא ה- Downs. כאן משתמשים בחשמל כך שנפח של NaCl מותך עובר דרך האלקטרודות, ובכך גורם לתגובות הבאות בהן:

2Na ⁺ (l) + 2e ^- → 2Na (ים) (קתודה)

2Cl ^- (l) → Cl ₂ (g) + 2e ^- (אנודה)

2NaCl (l) → 2Na (s) + Cl ₂ (g) (תגובה גלובלית)

לפיכך, בזכות חשמל ונתרן כלוריד, ניתן להכין גז נתרן וכלור מתכתי.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
2. ויקיפדיה. (2020). תא אלקטרוכימי. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (29 בינואר 2020). תאים אלקטרוכימיים. התאושש מ: thoughtco.com
4. ר 'ספינה. (sf). תאים אלקטרוכימיים. התאושש מ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. כימיקול. (2017). הגדרת תא אלקטרוכימי. התאושש מ: chemicool.com
6. פטרישיה ינקובסקי. (2020). מהו תא אלקטרוכימי? - מבנה ושימושים. לימוד. התאושש מ: study.com
7. אַלכִּימְיָה (3 במרץ, 2011). תאים אלקטרוכימיים. כימיה ומדע. התאושש מ: laquimicaylaciencia.blogspot.com