Параўнанне вольтавых і электралітычных элементаў
На працягу сотняў гадоў электрахімія была адной з асноўных галін хіміі, якая вывучае сувязь паміж электрычнасцю і хімічнымі рэакцыямі. У вывучэнні электрахіміі двума найбольш вядомымі тыпамі электродных элементаў з'яўляюцца вольтавыя элементы (таксама званыя гальванічнымі элементамі) і электралітычныя элементы. Нягледзячы на тое, што абодва працуюць па адным прынцыпе — пераўтварэнні хімічнай энергіі ў электрычную і наадварот — яны маюць важныя фундаментальныя адрозненні. У гэтым артыкуле падрабязна разгледзім параўнанне вольтавых элементаў і электралітычных элементаў, ахапіўшы іх азначэнні, прынцыпы працы, структуры, выкарыстанне і актуальнасць для паўсядзённага жыцця.
Вызначэнне і асноўныя прынцыпы
Гальванічны элемент: Гальванічны элемент — гэта прылада, якая выпрацоўвае электрычнасць праз спантанную акісляльна-аднаўленчую (акісляльна-аднаўленчую) хімічную рэакцыю. У гэтым элементе спантанная рэакцыя выпрацоўвае электрычную энергію, якую можна выкарыстоўваць для розных мэтаў.
Электралітычныя элементы: Электралітычныя элементы працуюць наадварот. Яны выкарыстоўваюць электрычную энергію ад знешняй крыніцы, каб выклікаць неспантанную акісляльна-аднаўленчую рэакцыю. Гэтая рэакцыя можа адбыцца толькі пры наяўнасці электрычнай крыніцы, якая прымушае іёны рэагаваць.
Структура вольтавых і электралітычных элементаў
Структура вольтавай ячэйкі:
1. Анод і катод: У вольтаічным элементе анод — гэта электрод, дзе адбываецца акісленне, а катод — электрод, дзе адбываецца аднаўленне.
2. Солявы мост: гэты кампанент выконвае функцыю падтрымання электрычнага балансу, дазваляючы іёнам перамяшчацца з адной паловы клеткі ў другую без непасрэднага змешвання.
3. Электраліты: Электраліты — гэта растворы або рэчывы, якія змяшчаюць свабодныя іёны, якія пераносяць электрычнасць паміж электродамі.
Структура электролізнай ячэйкі:
1. Электроды: У электралітычнай ячэйцы электроды таксама складаюцца з анода і катода, але іх ролі адваротныя ў параўнанні з вольтавымі элементамі. Анод — гэта дадатны электрод, а катод — адмоўны.
2. Крыніца харчавання: Энергія, якая выкарыстоўваецца для стымулявання акісляльна-аднаўленчай рэакцыі, паступае ад знешняй крыніцы харчавання, напрыклад, батарэі або іншай крыніцы пастаяннага току.
3. Электраліты: Электраліты ў электралітычных ячэйках таксама важныя для забеспячэння іёнаў, неабходных для рэакцыі.
Прынцып працы
Прынцып працы вольтаічнай батарэі:
Гальванічны элемент складаецца з двух паўэлементаў, злучаных салявым мастком і злучальным правадніком. Унутры гэтага элемента адбываецца спантанная акісляльна-аднаўленчая рэакцыя. Калі два розныя электроды (звычайна металы) апускаюцца ў электраліт, іоны металаў з анода (адмоўнага электрода) акісляюцца і вызваляюць электроны. Гэтыя электроны цякуць праз злучальны праваднік да катода (станоўчага электрода), дзе іоны ў растворы атрымліваюць электроны і падвяргаюцца аднаўленню.
Прынцып працы электралізнай ячэйкі:
У электралітычнай ячэйцы знешняя крыніца электрычнасці прыкладае напружанне для праходжання электрычнага току праз электраліт. Іоны ў растворы электраліта прыцягваюцца да электродаў з процілеглымі зарадамі — катыёны да катода (дзе адбываецца аднаўленне), а аніёны да анода (дзе адбываецца акісленне). Рэакцыі, якія адбываюцца на кожным электродзе, выклікаюць акісляльна-аднаўленчы працэс, які не адбыўся б самаадвольна без знешняй крыніцы энергіі.
Выкарыстанне ў паўсядзённым жыцці
Выкарыстанне вольтавых элементаў:
1. Батарэі: Батарэі з'яўляюцца найбольш распаўсюджаным прымяненнем гальванических элементаў, у тым ліку шчолачных батарэй і літый-іённых батарэй, якія выкарыстоўваюцца ў партатыўных электронных прыладах, электрамабілях і многіх іншых сферах прымянення.
2. Гальванізацыя: працэс пакрыцця металу ахоўным пластом праз спантанны акісляльна-аднаўленчы працэс таксама выкарыстоўвае прынцып вольтавага элемента для прадухілення карозіі.
Выкарыстанне электролізных ячэек:
1. Вытворчасць газу: Электралітычныя элементы выкарыстоўваюцца для атрымання вадароду і кіслароду з вады з дапамогай працэсу, вядомага як электроліз вады.
2. Гальванікапластыка: Гэтая ячэйка таксама выкарыстоўваецца ў працэсе металізацыйнага пакрыцця для стварэння ахоўнага або дэкаратыўнага пласта на іншых матэрыялах праз неспантанную рэакцыю.
3. Хімічная вытворчасць: Электралітычныя элементы выкарыстоўваюцца ў прамысловасці для вытворчасці хімічных рэчываў, такіх як хлор, гідраксід натрыю і розныя іншыя электралітычныя рэчывы.
Ключавыя параўнанні
1. Энергія: вольтавыя элементы выпрацоўваюць электрычную энергію ў выніку спантанных хімічных рэакцый, у той час як электралітычныя элементы патрабуюць знешняй электрычнай энергіі для правядзення неспантанных хімічных рэакцый.
2. Кірунак рэакцыі: Акісляльна-аднаўленчыя рэакцыі ў вольтаічных элементах адбываюцца самі па сабе, тады як у электралітычных элементах электрычны ток выклікае акісляльна-аднаўленчыя рэакцыі.
3. Электроды: У вольтаічнай ячэйцы анод адмоўны, а катод — дадатны. У электралітычнай ячэйцы анод дадатны, а катод — адмоўны.
4. Прымяненне: вольтавыя элементы звычайна выкарыстоўваюцца для свабоднай выпрацоўкі электрычнай энергіі, у той час як электралітычныя элементы выкарыстоўваюцца для правядзення пэўных хімічных рэакцый, якія не адбываюцца ў прыродзе.
Выснова
Як гальванічныя, так і электралітычныя элементы — гэта важныя інавацыі, якія істотна змянілі многія аспекты сучаснага жыцця, ад тэхналогій назапашвання энергіі да прамысловай вытворчасці і пакрыццяў. Хоць кожная з іх мае розныя прынцыпы працы і прымянення, абедзве дэманструюць выдатную сувязь паміж хімічнымі рэакцыямі і электрычнай энергіяй. Разуменне іх адрозненняў і падабенстваў можа пашырыць наша разуменне патэнцыйнага прымянення электрахіміі ў вырашэнні паўсядзённых праблем і распрацоўцы будучых тэхналогій.
