Volttikennot
volttikenno on laite, joka tuottaa sähkövirran spontaanissa redox-reaktiossa vapautuneesta energiasta kahdessa puolikennossa.
oppimistavoitteet
muista, että pelkistyminen tapahtuu katodilla ja hapettuminen tapahtuu anodilla jännitteisessä solussa
avainpisteet
- hapettuminen kuvaa elektronien katoamista molekyylin, atomin tai ionin vaikutuksesta.
- pelkistys kuvaa elektronien saamista molekyylin, atomin tai ionin avulla.
- elektronit virtaavat aina anodilta katodille.
- puolisoluja yhdistää suolasilta, jonka avulla liuoksen ionit voivat siirtyä puolisolusta toiseen, jolloin reaktio voi jatkua.
Avaintermit
- redox: reversiibeli kemiallinen reaktio, jossa yksi reaktio on hapetus ja käänteinen on pelkistys.
- puolikenno: joko elektrodin ja elektrolyytin sisältävän sähkökemiallisen kennon kahdesta osasta.
- volttisolu: Kenno, kuten akku, jossa peruuttamaton kemiallinen reaktio tuottaa sähköä; solu, jota ei voi ladata.
sähkökemiallinen kenno on laite, joka tuottaa sähkövirran spontaanissa redox-reaktiossa vapautuvasta energiasta. Tällainen solu sisältää galvaanisen eli voltalaisen solun, joka on nimetty Luigi Galvanin ja Alessandro Voltan mukaan. Nämä tiedemiehet tekivät useita kokeita kemiallisista reaktioista ja sähkövirrasta 1700-luvun lopulla.
sähkökemiallisissa kennoissa on kaksi johtavaa elektrodia, joita kutsutaan anodiksi ja katodiksi. Anodi määritellään elektrodiksi, jossa hapettuminen tapahtuu. Katodi on elektrodi, jossa pelkistys tapahtuu. Elektrodeja voidaan valmistaa mistä tahansa riittävän johtavasta materiaalista, kuten metalleista, puolijohteista, grafiitista ja jopa johtavista polymeereistä. Näiden elektrodien välissä on elektrolyytti, joka sisältää Vapaasti liikkuvia ioneja.
volttikenno käyttää kahta erilaista metallielektrodia, joista kumpikin on elektrolyyttiliuoksessa. Anodi hapettuu ja katodi pelkistyy. Anodin metalli hapettuu, menee hapetustilasta 0 (kiinteässä muodossa) positiiviseen hapetustilaan, ja siitä tulee ioni. Katodilla liuoksen metalli-ioni ottaa katodilta vastaan yhden tai useamman elektronin ja ionin hapetustila pienenee arvoon 0. Tämä muodostaa kiinteän metallin, joka kerääntyy katodille. Näiden kahden elektrodin on oltava sähköisesti kytkettyinä toisiinsa, mikä mahdollistaa elektronien virtauksen, joka lähtee anodin metallista ja virtaa tämän yhteyden kautta katodin pinnalla oleviin ioneihin. Tämä elektronien virtaus on sähkövirta, jolla voidaan tehdä työtä, kuten kääntää moottoria tai antaa virtaa valolle.
Esimerkkireaktio
volttikennon toimintaperiaate on samanaikainen hapetus-ja pelkistysreaktio, jota kutsutaan redox-reaktioksi. Tämä redox-reaktio koostuu kahdesta puolireaktiosta. Tyypillisessä volttikennossa redox-pari on kupari ja sinkki, jotka ovat edustettuina seuraavissa puolisolureaktioissa:
Sinkkielektrodi (anodi): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e –
Kuparielektrodi (katodi: Cu2+(aq) + 2 e– → Cu(S)
kennot on rakennettu erillisiin dekantterilasiin. Metallielektrodit upotetaan elektrolyyttiliuoksiin. Jokaista puolisolua yhdistää suolasilta, joka mahdollistaa ionilajien vapaan kuljetuksen kahden solun välillä. Kun piiri on valmis, virta virtaa ja solu ”tuottaa” sähköenergiaa.
galvaaninen eli volttinen solu: solu koostuu kahdesta puolisolusta, jotka ovat yhteydessä toisiinsa suolasillan tai läpäisevän kalvon kautta. Elektrodit upotetaan elektrolyyttiliuoksiin ja kytketään sähkökuorman kautta.
kupari hapettaa helposti sinkin; anodi on sinkki ja katodi on kupari. Liuosten anionit ovat vastaavien metallien sulfaatteja. Kun sähköä johtava laite yhdistää elektrodit, sähkökemiallinen reaktio on:
Zn + Cu2 + → Zn2+ + Cu