Электрохимическая ячейка - Electrochemical cell

Демонстрационная установка электрохимической ячейки, напоминающая Клетка Даниэля. Две полуячейки связаны солевым мостиком, переносящим ионы между собой. Электроны текут во внешней цепи.

An электрохимическая ячейка это устройство, способное генерировать электроэнергия из химические реакции или используя электрическую энергию, чтобы вызвать химические реакции. Электрохимические ячейки, генерирующие электрический ток, называются гальванические элементы или же гальванические элементы и те, которые вызывают химические реакции, через электролиз например, называются электролитические ячейки.[1][2][нужен лучший источник ] Типичный пример гальванического элемента - стандартный 1,5 Вольт.[3][нужен лучший источник ] клетка предназначен для бытового использования. А аккумулятор состоит из одной или нескольких ячеек, соединенных в параллельно, последовательно или последовательно-параллельный узор.

Электролитическая ячейка

Основная статья: Электролитическая ячейка
Электролитическая ячейка девятнадцатого века для производства кислородно-водород.

Электролитическая ячейка - это электрохимическая ячейка, которая приводит в движение несамопроизвольное редокс реакция посредством приложения электрической энергии. Они часто используются для разложения химических соединений в процессе, называемом электролиз - греческое слово лизис средства разбить.

Важными примерами электролиза являются разложение воды в водород и кислород, и боксит в алюминий и другие химические вещества. Гальваника (например, из меди, серебра, никеля или хрома) выполняется с помощью электролитической ячейки. Электролиз - это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC).

Электролитическая ячейка состоит из трех частей: электролит и два электрода (a катод и анод ). В электролит обычно решение из воды или другой растворители в котором ионы растворены. Расплавленные соли, такие как хлорид натрия также являются электролитами. Когда управляется внешним Напряжение приложенные к электродам, ионы в электролите притягиваются к электроду с противоположным зарядом, где могут происходить реакции передачи заряда (также называемые фарадеевскими или окислительно-восстановительными). Только с внешним электрический потенциал (то есть напряжение) правильной полярности и достаточной величины может электролитическая ячейка разложить обычно стабильную или инертный химическое соединение в растворе. Предоставляемая электрическая энергия может вызвать химическую реакцию, которая в противном случае не произошла бы самопроизвольно.

Гальванический элемент или гальванический элемент

Гальванический элемент без катионного потока
Основная статья: Гальванический элемент

Гальванический элемент или гальванический элемент, названный в честь Луиджи Гальвани, или же Алессандро Вольта соответственно, представляет собой электрохимический элемент, который получает электрическую энергию от спонтанных редокс реакции, происходящие внутри клетки. Обычно он состоит из двух разных металлов, соединенных соляной мост, или отдельные полуячейки, разделенные пористой мембраной.

Вольта был изобретателем гальваническая свая, первый электрическая батарея. В общепринятом смысле слово «батарея» стало включать в себя один гальванический элемент, но батарея правильно состоит из нескольких элементов.[4]

Первичная ячейка

Основная статья: первичная ячейка

Первичный элемент - гальванический. аккумулятор который предназначен для однократного использования и выброса, в отличие от вторичной ячейки (аккумуляторная батарея ), которые можно заряжать электричеством и использовать повторно. В целом электрохимический реакция возникновение в ячейке необратимо, что делает ячейку не подзаряжаемой. В качестве первичной ячейки используется химические реакции в батарее расходуются химические вещества, вырабатывающие энергию; когда их нет, аккумулятор перестает вырабатывать электричество и становится бесполезным. Напротив, в вторичная ячейка, реакцию можно обратить вспять, пропустив ток в ячейку с зарядное устройство для его перезарядки, регенерируя химические реагенты. Первичные элементы изготавливаются различных стандартных размеров для питания небольших бытовых приборов, таких как фонарики и портативные радиоприемники.

Первичные батареи составляют около 90% рынка батарей стоимостью 50 миллиардов долларов, но вторичные батареи увеличивают долю рынка. Ежегодно во всем мире выбрасывается около 15 миллиардов первичных батарей, практически все они попадают на свалки. Из-за токсичного тяжелые металлы и содержащиеся в них сильные кислоты или щелочи, батареи опасные отходы. Большинство муниципалитетов относят их к таковым и требуют отдельной утилизации. Энергия, необходимая для изготовления батареи, примерно в 50 раз больше, чем энергия, которую она содержит.[5][6][7][8][нужен лучший источник ] Из-за высокого содержания загрязняющих веществ в них по сравнению с их небольшим содержанием энергии первичные батареи считаются расточительной и экологически вредной технологией. В основном за счет увеличения продаж беспроводные устройства и аккумуляторные инструменты которые не могут экономично питаться от первичных батарей и поставляются со встроенными перезаряжаемыми батареями, производство вторичных батарей имеет высокие темпы роста и постепенно заменяет первичные батареи в высококачественной продукции.

Множество стандартных размеров первичных ячеек. Слева направо: многокамерная батарея 4,5 В, D, C, AA, AAA, AAAA, A23, многокамерная батарея 9 В, (верх) LR44, (Нижний) CR2032

Вторичная ячейка

Основная статья: Аккумуляторная батарея

Вторичная ячейка, обычно называемая аккумуляторная батарея, представляет собой электрохимический элемент, который может работать как гальванический элемент, так и как электролитический элемент. Это используется как удобный способ хранения электричества, когда ток течет в одну сторону, уровни одного или нескольких химических веществ накапливаются (заряжаются), во время разряда они уменьшаются, и возникающая в результате электродвижущая сила может работать.

Обычным вторичным элементом является свинцово-кислотная батарея. Обычно это автомобильные аккумуляторы. Они используются из-за высокого напряжения, низкой стоимости, надежности и длительного срока службы. Свинцово-кислотные аккумуляторы используются в автомобиле для запуска двигателя и работы электрических аксессуаров автомобиля, когда двигатель не работает. Генератор после запуска автомобиля подзаряжает аккумулятор.

Топливная ячейка

Схема протонпроводящего топливного элемента
Основная статья: Топливная ячейка

А топливная ячейка представляет собой электрохимическую ячейку, преобразующую химическая энергия из топлива в электричество через электрохимический реакция водородное топливо с кислородом или другим окислитель.[9][страница нужна ] Топливные элементы отличаются от батареи в том, что для поддержания химической реакции требуется постоянный источник топлива и кислорода (обычно из воздуха), тогда как в батарее химическая энергия исходит от химикатов, уже присутствующих в батарее. Топливные элементы могут производить электричество непрерывно, пока есть топливо и кислород.

Первые топливные элементы были изобретены в 1838 году. Первое коммерческое использование топливных элементов произошло более века спустя в НАСА космические программы для выработки энергии для спутники и космические капсулы. С тех пор топливные элементы использовались во многих других областях. Топливные элементы используются для основного и резервного питания коммерческих, промышленных и жилых зданий, а также в удаленных или труднодоступных районах. Они также используются для питания автомобили на топливных элементах, включая вилочные погрузчики, автомобили, автобусы, лодки, мотоциклы и подводные лодки.

Есть много типов топливных элементов, но все они состоят из анод, а катод, и электролит что позволяет положительно заряженным ионам водорода (протонам) перемещаться между двумя сторонами топливного элемента. На аноде катализатор заставляет топливо подвергаться реакциям окисления, которые генерируют протоны (положительно заряженные ионы водорода) и электроны. Протоны текут от анода к катоду через электролит после реакции. В то же время электроны притягиваются от анода к катоду через внешнюю цепь, создавая постоянный ток электричество. На катоде другой катализатор заставляет ионы водорода, электроны и кислород вступать в реакцию с образованием воды. Топливные элементы классифицируются по типу используемого электролита и разнице во времени запуска, которое составляет от 1 секунды для топливные элементы с протонообменной мембраной (Топливные элементы PEM или PEMFC) до 10 минут для твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Связанная технология проточные батареи, в котором топливо можно регенерировать путем подзарядки. Отдельные топливные элементы создают относительно небольшие электрические потенциалы, около 0,7 вольт, поэтому элементы «уложены друг на друга» или размещены последовательно для создания напряжения, достаточного для удовлетворения требований приложения.[10][нужен лучший источник ] Помимо электроэнергии топливные элементы производят воду, тепло и, в зависимости от источника топлива, очень небольшое количество диоксид азота и другие выбросы. Энергетическая эффективность топливного элемента обычно составляет 40–60%; однако, если отработанное тепло улавливается когенерация схемы, можно получить КПД до 85%.

Рынок топливных элементов растет, и в 2013 году Pike Research подсчитала, что к 2020 году рынок стационарных топливных элементов достигнет 50 ГВт.[11][нужен лучший источник ]

Полуклетки

Основная статья: Полуклетка
В Ячейка Бунзена, изобретенный Роберт Бунзен.

Электрохимическая ячейка состоит из двух полуэлементов. Каждый полуклетка состоит из электрод и электролит. Две полуэлементы могут использовать один и тот же электролит или разные электролиты. В химических реакциях в ячейке могут участвовать электролит, электроды или внешнее вещество (как в топливные элементы который может использовать газообразный водород в качестве реагента). В полной электрохимической ячейке виды из одной полуячейки теряют электроны (окисление ) к их электрод в то время как виды из другой половины ячейки получают электроны (снижение ) со своего электрода.

А соляной мост (например, фильтровальная бумага, пропитанная KNO3, NaCl или какой-либо другой электролит) часто используется для обеспечения ионного контакта между двумя полуэлементами с разными электролитами, но предотвращает смешивание растворов и вызывает нежелательные побочные реакции. Альтернативой солевому мостику является обеспечение прямого контакта (и смешивания) между двумя полуэлементами, например, при простом электролизе воды.

Когда электроны перетекают из одной полуячейки в другую через внешнюю цепь, устанавливается разница в заряде. Если бы ионный контакт не был обеспечен, эта разница зарядов быстро предотвратила бы дальнейший поток электронов. Солевой мостик позволяет потоку отрицательных или положительных ионов поддерживать стационарное распределение заряда между сосудами для окисления и восстановления, сохраняя при этом содержимое отдельно. Другими устройствами для разделения растворов являются пористые емкости и загущенные растворы. Пористый горшок используется в Ячейка Бунзена (верно).

Равновесная реакция

Каждая полуячейка имеет характеристическое напряжение. Различный выбор веществ для каждой полуячейки дает разные разности потенциалов. Каждая реакция проходит равновесие реакция между разными состояния окисления ионов: Когда достигается равновесие, ячейка не может обеспечивать дополнительное напряжение. В полуячейке, которая подвергается окислению, чем ближе находится равновесие к иону / атому с более положительной степенью окисления, тем больший потенциал будет обеспечивать эта реакция. Аналогичным образом, в реакции восстановления, чем ближе равновесие к иону / атому, тем больше отрицательный степень окисления тем выше потенциал.

Потенциал клетки

Потенциал ячейки можно предсказать с помощью электродные потенциалы (напряжения каждой полуячейки). Эти потенциалы полуэлементов определены относительно назначения 0 вольт для стандартный водородный электрод (ОНА). (Видеть таблица стандартных электродных потенциалов ). Разница в напряжении между потенциалами электродов дает предсказание для измеренного потенциала. При расчете разницы в напряжении необходимо сначала переписать уравнения реакции полуэлемента, чтобы получить сбалансированное уравнение окисления-восстановления.

  1. Обратить реакцию восстановления с наименьшим потенциалом (для создания реакции окисления / общего положительного потенциала клетки)
  2. Половина реакции необходимо умножить на целые числа, чтобы достичь баланса электронов.

Возможный диапазон потенциалов ячеек составляет примерно от нуля до 6 вольт. Элементы, использующие электролиты на водной основе, обычно ограничиваются потенциалом элемента менее примерно 2,5 вольт из-за высокой реакционной способности мощных окислителей и восстановителей с водой, которая необходима для получения более высокого напряжения. Более высокие потенциалы клеток возможны, если клетки используют другие растворители вместо воды. Например, литиевые элементы с напряжением 3 вольта обычно доступны.

Потенциал ячейки зависит от концентрации реагентов, а также от их типа. По мере того, как ячейка разряжается, концентрация реагентов уменьшается, и потенциал ячейки также уменьшается.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Электролитические ячейки». Государственный университет Джорджии. Получено 17 мая, 2018.
  2. ^ «Электрохимические ячейки». Государственный университет Джорджии. Получено 17 мая, 2018.
  3. ^ «Электрохимическая ячейка». BYJU'S. Получено 28 октября, 2020.
  4. ^ Гоув, Филип Бэбкок, изд. (2002) [1961]. "аккумулятор". Третий новый международный словарь Вебстера, полный текст. Merriam-Webster Inc. п. 187. ISBN  978-0-87779-201-7. 6а: комбинация аппаратов для создания единственного электрического эффекта динамо-машины > b (1): группа из двух или более элементов, соединенных вместе для подачи электрического тока (2): один гальванический элемент
  5. ^ Хилл, Маркуита К. (2004). Понимание загрязнения окружающей среды: учебник. Издательство Кембриджского университета. п. 274. ISBN  978-0-521-82024-0. Для производства одноразовой батареи требуется примерно в 50 раз больше энергии, чем она дает при использовании.
  6. ^ Уоттс, Джон (2006). Gcse Edexcel Science. Letts and Lonsdale. п. 63. ISBN  978-1-905129-63-8.
  7. ^ Wastebusters Ltd. (2013). Руководство по экологическому офису: руководство по ответственной практике. Рутледж. п. 96. ISBN  978-1-134-19798-9.
  8. ^ Данахер, Кевин; Биггс, Шеннон; Марк, Джейсон (2016). Построение зеленой экономики: истории успеха с широких масс. Рутледж. п. 199. ISBN  978-1-317-26292-3.
  9. ^ Хурми, Р. С .; Седха, Р.С. Материаловедение. ISBN  978-81-219-0146-8.
  10. ^ Хорошо, Карим; Стрикленд, Джонатан. «Как работают топливные элементы». Как это работает. Получено 4 августа, 2011.
  11. ^ Прабху, Рахул Р. (13 января 2013 г.). «Объем рынка стационарных топливных элементов достигнет 350 000 отгрузок к 2022 году». Кампания "Обновить Индию". Архивировано 19 января 2013 года.. Получено 14 января, 2013.CS1 maint: неподходящий URL (связь)