Elektrokémia
- Bevezetés
Az elektrokémia a kémiai reakciók és az elektromos áram közötti kapcsolatot vizsgálja. Az elektrokémiai folyamatok során a kémiai energia elektromos energiává alakul, vagy éppen fordítva, elektromos áram hatására kémiai reakciók mennek végbe. Az elektrokémia területéhez tartoznak a galvánelemek (mint az akkumulátorok) működése, az elektrolízis folyamata és a Faraday törvények, amelyek a kémiai reakciók és az elektromos áram közötti összefüggéseket írják le.
- Galvánelemek alapfogalmai
A galvánelem olyan elektrokémiai eszköz, amely kémiai energiát alakít át elektromos energiává. A galvánelem működésének alapja redoxireakciók sorozata, amelyek során elektronok áramlanak egy külső áramkörbe. A galvánelemek két cellából állnak, amelyeket különböző anyagok alkotnak, és a két félcella között ionok áramlanak át egy vezetőn keresztül. A galvánelemekben zajló kémiai reakciók az elektródákon történnek: az egyik elektróda az anód, amelyen az oxidáció folyamata történik, míg a másik elektróda a katód, ahol a redukció zajlik.
2.1. Galvánelem szerkezete és működése
A galvánelem két félcellából áll, amelyek mindegyike egy oldott ionos vegyületet, és egy fém elektródát tartalmaz:
Anód: Az oxidációs reakció helye, ahol az elektronok leadása történik.
Katód: A redukciós reakció helye, ahol az elektronok felvétele történik.
Például a Daniell elem esetében:
Anód: Zn (s)→Zn2++2e−
Katód: Cu2++2e−→Cu (s)
A két félcellában zajló reakciók és az áramkörben áramló elektronok biztosítják az elektromos energiát.
2.2. Elektromotoros erő (EMF)
A galvánelem által biztosított feszültséget elektromotoros erő (EMF) néven említjük, amely a két félcella potenciálkülönbségéből adódik. Az EMF mértéke a két félcella közötti potenciálkülönbség, amely a redoxireakciók során felhalmozódó energia révén keletkezik.
- Standardpotenciál
A standardpotenciál a fémek ionjainak egységnyi koncentrációjú oldatában mért potenciálértéke a hidrogénionokéhoz viszonyítva.A standardpotenciál mértékegysége a volt (V). A standardpotenciál értékeit a standard hidrogénelektróda (SHE) alapján határozzák meg, amelynek potenciálja 0 V.A standardpotenciál értékeket egy táblázatba rendezve megtalálhatjuk a függvénytáblázatban.
Alkalmazása: Egy galvánelemben, valamint egy redoxi reakcióban, a katód (a redukálásra kerülő anyag) mindig a nagyobb standardpotenciálú, a kisebb standardpotenciálú mindig az anód (az oxidálásra kerülő). Ezek alapján elmondható, hogy a kisebb standardpotenciálú anyag a nagyobbat redukálja, a nagyobb standardpotenciálú anyag a kisebbet pedig oxidálja.
- Elektrolízis
Az elektrolízis egy elektrokémiai folyamat, amely során elektromos áram hatására kémiai reakciók mennek végbe. Az elektrolízis ellentétes irányú folyamat, mint a galvánelemek működése: itt az elektromos áram kémiai reakciókat indít el. Az elektrolízis során a kémiai anyagok elektrolitikus oldatban vagy olvadékban történő disszociációja elektromos áram hatására történik.
Az elektrolízis folyamatában a két elektróda közötti áramkörben zajlanak az oxidációs és redukciós reakciók:
Az anód az a hely, ahol oxidáció történik (itt elektronok kerülnek leadásra).
A katód az a hely, ahol redukció történik (itt elektronokat vesznek fel).
Példa: A víz elektrolízisénél a vízmolekulák hidrogénre és oxigénre bomlanak:
2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)
A reakció során:
Az anódon oxidáció történik: 2H2O→O2+4H+ +4e−
A katódban redukció történik: 4H+ +4e−→ 2H2
- Faraday törvényei
A Faraday törvényei az elektrolízis során végbemenő kémiai reakciók és az áram között fennálló kapcsolatot írják le. Michael Faraday 1833-ban fogalmazta meg ezeket a törvényeket.
5.1. Faraday első törvénye
A Faraday első törvénye azt állítja, hogy az elektrolízis során kiváltott anyag mennyisége arányos az áram erősségével és az áramnak az elektrolitban történő hatásidejével. Matematikailag:
m=M⋅I⋅t/F⋅z
ahol:
M: a kiváltott anyag tömege,
M: az anyag moláris tömege,
I: az áramerősség,
t: az elektrolízis ideje,
F: Faraday állandója (96500 C/mol),
Z: az ion töltése.
Ez azt jelenti, hogy minél hosszabb ideig áramlik az áram, annál több anyag válik ki az elektrolízis során.
5.2. Faraday második törvénye
A Faraday második törvénye kimondja, hogy két különböző anyag elektrolízisében az egyes anyagok kivált mennyisége arányos azok ekvivalens tömegeivel. Az egyes anyagok kiválasztásának mértéke tehát függ azok kémiai tulajdonságaitól.
- Összefoglalás
Az elektrokémia azokat a kémiai folyamatokat vizsgálja, amelyek során kémiai energia elektromos energiává alakul, illetve fordítva. A galvánelemek az elektromos áram előállítására szolgálnak, és működésük alapja a redoxireakciók, míg az elektrolízis során az elektromos áram hatására kémiai reakciók mennek végbe. A Faraday törvényei matematikai összefüggéseket adnak az elektrolitikus folyamatok és az áram kölcsönhatásáról. Az elektrokémiai folyamatok a mindennapi életben és ipari alkalmazásokban is széles körben fontos szerepet játszanak, mint például az akkumulátorok, az elektrolízis vagy az energiatárolás területén.