Príklady otázok týkajúcich sa porovnania galvanických a elektrolytických článkov
Porovnanie fotovoltických a elektrolytických článkov je kľúčovou témou v chémii, najmä v štúdiu elektrochémie. Obe sú zariadenia používané na výrobu elektriny z chemických reakcií alebo na riadenie chemických reakcií pomocou aplikácie elektrickej energie. Tento článok zdôrazní kľúčové rozdiely medzi fotovoltickými a elektrolytickými článkami prostredníctvom príkladov problémov a diskusií. Cieľom je poskytnúť dôkladné a hlbšie pochopenie týchto dvoch typov článkov.
Voltaický článok
Galvanický článok, tiež známy ako fotovoltaický článok, je typ elektrochemického článku, ktorý produkuje elektrický prúd spontánnou chemickou reakciou. Vo fotovoltaickom článku prebieha redoxná reakcia, pri ktorej dochádza k redukcii a oxidácii na rôznych elektródach. Aby sme to lepšie pochopili, pozrime sa na príklad fotovoltaického článku.
Príklad otázky 1:
Anóda fotovoltického článku je vyrobená zo zinku (Zn) a katóda z medi (Cu). Predpokladajme, že z tabuľky štandardných redukčných potenciálov vyplýva, že štandardný redukčný potenciál (E°) Cu²⁺/Cu je +0,34 V a Zn²⁺/Zn je -0,76 V. Vypočítajte štandardný redukčný potenciál (E° článku) tohto fotovoltického článku.
Diskusia:
Najprv napíšte reakcie polčlánku pre oxidáciu a redukciu.
– Anóda (oxidácia): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
– Katóda (redukcia): Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)
Štandardný potenciál článku (E° článok) sa vypočíta z rozdielu redukčného potenciálu katódy a anódy.
– E° článok = E° katóda – E° anóda
– E° katóda = +0,34 V
– E° anóda = -0,76 V
Takže štandardný bunkový potenciál je:
\[ E°_{sel} = 0.34 V – (-0.76 V) \]
\[ E°_{cell} = 0.34 V + 0.76 V \]
\[ E°_{sel} = 1.10 V \]
Takže štandardný potenciál článku pre tento galvanický článok je 1,10 V.
Elektrolytický článok
Elektrolytické články na druhej strane využívajú elektrickú energiu na vynútenie nespontánnych chemických reakcií. V elektrolytickom článku sa elektrický prúd z externého zdroja aplikuje na spustenie redoxnej reakcie, ktorá by sama od seba neprebehla. Pozrime sa na príklad elektrolytického článku, aby sme pochopili jeho vlastnosti a princíp fungovania.
Príklad otázky 2:
Pri elektrolýze sa hliník vyrába z roztaveného oxidu hlinitého (Al₂O₃). Vypočítajte množstvo elektriny potrebnej na výrobu 1 mólu hliníka (Al). Predpokladajme, že jeden mól Al vyžaduje tri móly elektrónov.
Diskusia:
Podľa elektrochemickej rovnice pre elektrolýzu:
\[ Al^{3+}(aq) + 3e⁻ → Al(s) \]
Je známe, že na každý mól hliníka sú potrebné 3 móly elektrónov. Podľa Faradayovho zákona možno množstvo potrebnej elektriny (Q) vypočítať pomocou vzorca:
\[ Q = n \cdot F \]
ruka:
– n je počet molov elektrónov
– F je Faradayova konštanta (96500 C/mol elektrónov)
Na výrobu 1 molu Al:
\[ n = 3 \text{ moly elektrónov} \]
Množstvo elektriny (Q) teda:
\[ Q = 3 \cdot 96500 \]
\[ Q = 289500 \text{ C} \]
Takže na výrobu 1 mólu hliníka je potrebných 289 500 coulombov elektriny.
Porovnanie voltových a elektrolytických článkov
Nasledujúca tabuľka sumarizuje hlavné rozdiely medzi fotovoltickými a elektrolytickými článkami:
| Aspekty | Voltický článok | Elektrolytický článok |
|—————————–|——————————————|————————————–|
| Zdroje energie | Chemické reakcie | Elektrická energia |
| Typ reakcie | Spontánna | Nespontánna |
| Anóda (-)/Katóda (+) | Anóda (-), Katóda (+) | Anóda (+), Katóda (-) |
| Účel | Výroba elektriny | Vyvolanie chemických reakcií |
| Aplikácie | Batérie, palivové články | Pokovovanie, odlievanie kovov, rafinácia |
Zdroje energie:
Voltaické články produkujú elektrickú energiu zo spontánnych chemických reakcií, zatiaľ čo elektrolytické články využívajú elektrickú energiu z externého zdroja na vynútenie vzniku nespontánnych reakcií.
Typ reakcie:
V solárnom článku spontánna reakcia spôsobuje tok elektrónov z anódy na katódu cez vonkajší obvod. V elektrolytickom článku sa na spustenie reakcie, ktorá by sama od seba neprebehla, používa vonkajší elektrický prúd.
Anóda a katóda:
V solárnom článku je anóda záporná elektróda a katóda kladná elektróda. V elektrolytickom článku je anóda kladná elektróda a katóda záporná elektróda. Toto je jeden z hlavných rozdielov, ktorý študentov často mätie.
Cieľ:
Hlavným účelom fotovoltického článku je výroba elektriny, zatiaľ čo elektrolytický článok sa používa na vyvolanie chemických reakcií, ako je rafinácia kovov alebo elektrolýza vody.
Aplikácia:
Voltické články sa bežne používajú v batériách a palivových článkoch, ktoré vyrábajú elektrinu na rôzne účely. Elektrolytické články sa používajú v priemyselných procesoch, ako je odlievanie kovov, galvanické pokovovanie a rafinácia kovov.
Záver
Fotovoltické aj elektrolytické články zohrávajú v dnešnej technológii dôležitú úlohu. Pochopenie toho, ako každý typ článku funguje a ako vypočítať rôzne parametre pomocou príkladov, je kľúčom k zvládnutiu elektrochemických konceptov. Vo vyššie uvedenej diskusii sme zdôraznili základné rozdiely medzi fotovoltickými a elektrolytickými článkami vrátane ich zdrojov energie, typov reakcií a príkladov ich použitia v každodennom živote.
S dobrým pochopením týchto dvoch typov buniek budete lepšie pripravení riešiť rôzne súvisiace problémy v skúškach z chémie a aplikovať ich na rôzne moderné nástroje a technológie.
