Voltaic Cells
Eine Voltaic-Zelle ist ein Gerät, das einen elektrischen Strom aus Energie erzeugt, die durch eine spontane Redoxreaktion in zwei Halbzellen freigesetzt wird.
Lernziele
Denken Sie daran, dass die Reduktion an der Kathode und die Oxidation an der Anode in einer Voltaikzelle stattfindet
Wichtige Erkenntnisse
Wichtige Punkte
- Oxidation beschreibt den Verlust von Elektronen durch ein Molekül, Atom oder Ion.
- Reduktion beschreibt den Elektronengewinn durch ein Molekül, Atom oder Ion.
- Die Elektronen fließen immer von der Anode zur Kathode.
- Die Halbzellen sind durch eine Salzbrücke verbunden, die es den Ionen in der Lösung ermöglicht, sich von einer Halbzelle zur anderen zu bewegen, so dass die Reaktion fortgesetzt werden kann.
Schlüsselbegriffe
- redox: Eine reversible chemische Reaktion, bei der eine Reaktion eine Oxidation und die andere eine Reduktion ist.
- Halbzelle: Einer der beiden Teile einer elektrochemischen Zelle, die eine Elektrode und einen Elektrolyten enthält.
- voltaische Zelle: Eine Zelle, wie in einer Batterie, in der eine irreversible chemische Reaktion Elektrizität erzeugt; eine Zelle, die nicht aufgeladen werden kann.
Eine elektrochemische Zelle ist ein Gerät, das aus Energie, die durch eine spontane Redoxreaktion freigesetzt wird, einen elektrischen Strom erzeugt. Diese Art von Zelle umfasst die galvanische oder voltaische Zelle, benannt nach Luigi Galvani und Alessandro Volta. Diese Wissenschaftler führten im späten 18.Jahrhundert mehrere Experimente zu chemischen Reaktionen und elektrischem Strom durch.
Elektrochemische Zellen haben zwei leitende Elektroden, die als Anode und Kathode bezeichnet werden. Die Anode ist definiert als die Elektrode, an der Oxidation auftritt. Die Kathode ist die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet. Elektroden können aus allen ausreichend leitfähigen Materialien wie Metallen, Halbleitern, Graphit und sogar leitfähigen Polymeren hergestellt werden. Zwischen diesen Elektroden befindet sich der Elektrolyt, der Ionen enthält, die sich frei bewegen können.
Die voltaische Zelle verwendet zwei verschiedene Metallelektroden, jeweils in einer Elektrolytlösung. Die Anode wird oxidiert und die Kathode wird reduziert. Das Metall der Anode oxidiert von einer Oxidationsstufe von 0 (in fester Form) zu einer positiven Oxidationsstufe und wird zu einem Ion. An der Kathode nimmt das Metallion in der Lösung ein oder mehrere Elektronen von der Kathode an, und der Oxidationszustand des Ions verringert sich auf 0. Dies bildet ein festes Metall, das sich an der Kathode ablagert. Die beiden Elektroden müssen elektrisch miteinander verbunden sein, um einen Elektronenfluss zu ermöglichen, der das Metall der Anode verlässt und durch diese Verbindung zu den Ionen an der Oberfläche der Kathode fließt. Dieser Elektronenfluss ist ein elektrischer Strom, der verwendet werden kann, um Arbeit zu verrichten, z. B. einen Motor zu drehen oder ein Licht anzutreiben.
Beispielreaktion
Das Funktionsprinzip der voltaischen Zelle ist eine gleichzeitige Oxidations- und Reduktionsreaktion, die als Redoxreaktion bezeichnet wird. Diese Redoxreaktion besteht aus zwei Halbreaktionen. In einer typischen voltaischen Zelle ist das Redoxpaar Kupfer und Zink, dargestellt in den folgenden Halbzellenreaktionen:
Zinkelektrode (Anode): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-
Kupferelektrode (Kathode): Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(s)
Die Zellen sind in separaten Bechern aufgebaut. Die Metallelektroden sind in Elektrolytlösungen eingetaucht. Jede Halbzelle ist durch eine Salzbrücke verbunden, die den freien Transport ionischer Spezies zwischen den beiden Zellen ermöglicht. Wenn der Stromkreis abgeschlossen ist, fließt der Strom und die Zelle „produziert“ elektrische Energie.
Eine galvanische oder voltaische Zelle: Die Zelle besteht aus zwei Halbzellen, die über eine Salzbrücke oder eine permeable Membran verbunden sind. Die Elektroden sind in Elektrolytlösungen eingetaucht und über eine elektrische Last verbunden.
Kupfer oxidiert leicht Zink; Die Anode ist Zink und die Kathode ist Kupfer. Die Anionen in den Lösungen sind Sulfate der jeweiligen Metalle. Wenn eine elektrisch leitende Vorrichtung die Elektroden verbindet, ist die elektrochemische Reaktion:
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu