Minden olyan reakciót, amelyben elektron leadás és elektronfelvétel történik, redoxi reakciónak nevezünk. Az elektronleadás és -felvétel egyidejűleg játszódik le. Oxidálószer az a részecske, amely elektront vesz fel, azaz egy másik részecskétől elveszi az elektront, tehát oxidálja azt. Redukálószer az a részecske, amely redukálni képes egy másik részecskét (elektront ad át neki). Azokat a kémiai folyamatokat, amelyekben az oxidációs szám változása történik, redoxi folyamatnak tekintjük. Ha a molekula egy atomja, vagy egy ion oxidációs száma a reakció során csökken, akkor redukálódik. Ha a molekula egy atomja vagy egy ion oxidációs száma a reakciók során növekszik, az az atom vagy ion oxidálódik.
Galvánelemek
A galvánelemek kémiai energiát alakítanak át elektromos energiává. Két elektródból és egy, vagy két elektrolit oldatból állnak. Az oldattal érintkező fémes vezetőket (fémek vagy grafit) elektródoknak nevezzük. Azt az elektródot, ahol redukció történik, katódnak nevezzük. Azt az elektródot, ahol oxidáció történik, anódnak nevezzük. A galván elemek esetén végbemenő kémiai reakció során az egyik fém redukálja a másik fém kationját.
Elektródpotenciál
Fémeknek azt az adatát, amely a redukálóképességük mértékét jellemzi oldatban, elektródpotenciálnak nevezzük. Az elektród potenciál értéke függ az elektród minőségétől, az elektródfolyamatban részt vevő ionok koncentrációjától, a hőmérséklettől. Minden fém standard elektródpotenciálját (EO) az a feszültségérték adja meg, amelyet a saját ionjainak 1 mol/dm3 koncentrációjú oldatába merülő fémlemez és a „standard” hidrogén elektród között mérnek 25 oC-on. A standardpotenciál táblázatból leolvasható az ion képzés hajlama, mégpedig minél kisebb egy elem standard potenciálja, annál szívesebben képez pozitív iont. Minél nagyobb egy elem standard potenciája annál szívesebben képez negatív iont.
Elektrolízis
Az elektrolízis során az elektronos energia kémiai energiává alakul. Az elektromos áram hatására végbemenő kémiai változást elektrolízisnek nevezzük. Egy áramkörben a katódon és anódon áthaladó töltés mennyiség egyenlő, ezért a katód és anód folyamatot ugyanannyi töltésmennyiségre kell felírni. Ez a töltés megmaradás törvénye. Az elektrolízis során mindig az a folyamat megy végbe, amelyhez kisebb energia szükséges. Ezt befolyásolja: az elektród anyaga, az oldatban lévő részecskék leválási potenciája és koncentrációja.
Elektrokémiai folyamatok
Az elektrokémiai folyamatok heterogén redoxireakciók, amelyekben az oxidáció és a redukció mindig a folyékony és a szilárd halmazállapotú anyag érintkezési, más szóval határfelületén megy végbe, térben egymástól elkülönítve, miközben elektromos energia szolgáltatása vagy felhasználása történik.
Az elektrokémia a kémiai és elektromos energia kölcsönös átalakulásával foglalkozik, azokat a folyamatokat és jelenségeket tárgyalja, amelyek az ionos rendszerekben, valamint az ionos rendszer - fém (fémes vezető) illetve félvezető határán (elektródokon) lépnek fel.
Az elektrokémiai reakciók - a hasonlóság ellenére- nem azonosak a kémiai redoxireakciókkal. Nézzük a következő reakciót:
Az elektrokémia a kémiai és elektromos energia kölcsönös átalakulásával foglalkozik, azokat a folyamatokat és jelenségeket tárgyalja, amelyek az ionos rendszerekben, valamint az ionos rendszer - fém (fémes vezető) illetve félvezető határán (elektródokon) lépnek fel.
Az elektrokémiai reakciók - a hasonlóság ellenére- nem azonosak a kémiai redoxireakciókkal. Nézzük a következő reakciót:
A reakció lényege:
- Zn
Zn2+ + 2e- oxidáció
- Cu2+ + 2e-
Ha a reakció kémiai redoxifolyamatként megy végbe, akkor a következők jellemzik:
- a részecskék az oldatban szabadon mozognak, ütköznek;
- a rézionok és a cinkatomok közvetlen érintkezése miatt közvetlen elektronátmenet történik, vagyis az átmenet gyorsan megy végbe, az elektronok útja igen rövid;
- a folyamatot kísérő energiaváltozás hőfelszabadulás formájában történik.
Ha az előbbi reakciót elektrokémiai folyamatként akarjuk lejátszatni, úgy kell megváltoztatni a feltételeket, hogy az energiaváltozás egy része elektromos energia formájában jelenjen meg. A kémiai reakció energiaváltozása csak abban az esetben jelentkezik elektromos energia formájában, ha…
q az elektronátmenet az oxidálódó fématom és a redukálódó fémion között egy adott irányba megy végbe, a közvetlen érintkezés helyett vezetőn keresztül. Így az elektronok útja elég nagy, az elektronátmenet meghatározott időt vesz igénybe.
q az elektronátmenet az oxidálódó fématom és a redukálódó fémion között egy adott irányba megy végbe, a közvetlen érintkezés helyett vezetőn keresztül. Így az elektronok útja elég nagy, az elektronátmenet meghatározott időt vesz igénybe.
Az elektrokémiai rendszer részei
- Elektrolit: szabadon mozgó elektronokat tartalmazó oldat vagy olvadék, amely vezeti az áramot.
- Elektród: az elektrolitoldattal közvetlenül érintkező fémes vezető.
- Fémes vezető: fémhuzal, amely összeköti az elektródokat, biztosítja az elektronok áramlását az elektródok között.
Galvánelemek (kémiai áramforrások)
A galvánelem kémiai energiának elektromos energiává való átalakítására alkalmas berendezés. Benne önként végbemenő redoxireakciók termelik az elektromos energiát.
Felépítése:
- két elektródból áll (két különböző, saját elektrolitjába [vagy más elektrolitba] merülő fém vagy fémes vezető);
- fémes vezető (a két elektródot köti össze);
- diafragma: az elektródok elektrolitjai érintkeznek egymással, de keveredésüket megakadályozza, az ionok mozgását az elektrolitok között megengedi.
Elektród:
- Lehet a fém és a fém ionjait tartalmazó oldat, amelybe a fém belemerül (fémelektród).
- Hidrogén-tartalmú (pl. sósav) oldat és a belemerülő indifferens (pl. platina) fémen adszorbeált hidrogéngáz (hidrogén-gázelektród).
- Általánosan egy elem redukált és oxidált alakját tartalmazó rendszer, mely oldatot és a vele érintkező, fémes vezetőben folytatódó fázist tartalmaz.
A galvánelem jelölése:
A galvánelem (galváncella) működése
- Az egyik elektródon (katód) redukció, a másik elektródon (anód) oxidáció történik.
- A galvánelemben a katód a pozitív, az anód a negatív pólus.
- A két elektród közötti fémes vezetőben folyhat az elektromos áram (ide köthetők be a fogyasztók).
- Az áramkör zárását a két elektrolitoldat érintkezése (diafragma, vagy sóhíd) biztosítja.
A diafragma, illetve sóhíd:
- Megakadályozza az oldatok összekeveredését.
- Az ionok diffúziója révén biztosítja a töltéskiegyenlítődést.
A galvánelemben folyó áram közvetlen oka a két elektród közötti potenciálkülönbség. Ez annak az eredménye, hogy az elektrolit és a belemerülő fém között egyensúlyi elektromos potenciálkülönbség alakul ki. Az elektrolittal érintkező fémből ugyanis fémionok jutnak az oldatba, illetve az oldatban lévő fémionok semleges atomként kiválnak a fém felületére!
Ahhoz, hogy egy fémion az elektrolitoldatból az elektródra kiválhasson ki kell szakítania magát a hidrátburokból. Az ehhez szükséges energia a kiválás aktiválási energiája! A fordított folyamatban, az oldódásban az aktiválási energia ahhoz szükséges, hogy a fématom ionná válva le tudja győzni a szomszédos fématomok vonzóerejét. Mindkét esetben tehát egy energiagáton való átjutás a folyamat kulcsa.
Ahhoz, hogy egy fémion az elektrolitoldatból az elektródra kiválhasson ki kell szakítania magát a hidrátburokból. Az ehhez szükséges energia a kiválás aktiválási energiája! A fordított folyamatban, az oldódásban az aktiválási energia ahhoz szükséges, hogy a fématom ionná válva le tudja győzni a szomszédos fématomok vonzóerejét. Mindkét esetben tehát egy energiagáton való átjutás a folyamat kulcsa.
Az elektródreakciók (oldódás - kiválás) sebességét az határozza meg, hogy időegység alatt hány ion jut át az energiagát (elektród és oldat közötti potenciálkülönbség) egyik oldaláról a másikra. Ha a két sebesség egyenlővé válik, az elektródreakció dinamikus egyensúlyba jut és kialakul az elektród és az oldat közötti egyensúlyi elektromos potenciálkülönbség, amit ELEKTRÓDPOTENCIÁLNAK (ls. még később is) nevezünk.
Ha a két elektródot fémes vezetővel összekötjük, akkor az elektronok a negatív potenciálú helyről a pozitívabb potenciálú hely felé áramlanak (a cink - réz galvánelem esetén a cink felületéről áramlanak az elektronok a réz felületére)! E mellett biztosítani kell a töltéskiegyenlítődést a két elektrolit között is, így a redoxireakció folyamatossá válik!
A galvánelemekben a negatív sarkon megy végbe az oxidáció, tehát ez az anód (cink), a pozitív sarkon redukció, tehát ez a katód (réz).
A cink- és rézelektródból álló galvánelemet Daniel-elemnek nevezzük.
A cink- és rézelektródból álló galvánelemet Daniel-elemnek nevezzük.
Megjegyzés küldése