ÚVOD - CO JE ELEKTROCHEMIE?

Elektrochemie je obor chemie zabývající se chemickými reakcemi, které se týkají  elektrické proudy a potenciály . Některé chemické reakce, které probíhají spontánně může generovat elektrický proud, který může být použit k tomu užitečnou práci, zatímco jiné chemické reakce mohou být nuceni přistoupit pomocí elektrického proudu. I když tohle všechno může znít poněkud esoterické, mnoho praktických prvků založených na těchto reakcí a mnohé její produkty vyrobené podle těchto reakcí jsou dobře známé, každodenní domácnosti.

Každodenní příklady elektrochemii

Nejznámějším každodenní elektrochemické zařízení, mohou být baterie . Jednoduché  Jednorázové baterie , které se používají ve svých svítilen, v mnoha digitálních fotoaparátů, atd. jsou elektrochemické články . Ty jsou vyráběny s určitými chemickými látkami v nich, které budou vzájemně reagují a produkují elektrický proud, jakmile zavřete spínač. Po chemické látky v buňce jsou všechny vyčerpány, buňka je vyhodí a nová buňka je v přístroji nainstalován. Sofistikovanější verze z baterií mohou být znovu použity znovu a znovu dobíjení s elektřinou. Starý startovací baterie v autě, je k dispozici již více než sto let. Všechny přenosná elektronická zařízení (notebooky, mobilní telefony, atd.), jsou napájeny těmito dobíjecími bateriemi . Některé z nich mohou být znovu použity tisíckrát před tím, než mají být nahrazeny kvůli jejich stáří.

Některé z těchto baterií jsou používány v dnešních "hybridních automobilů" ve spojení s benzinovým motorem. Jsou také kandidáty na zdroj energie v plně elektrického vozu, jakmile hmotnost baterií a jejich cena může být ještě více snížena.

V další verzi elektromobilu, že síla musí být poskytována palivových článků . Palivové články jsou něco jako baterie, kromě toho, že spíše než omezené množství chemických látek zabudovaných, mohou být stále napájen palivem. Palivových článků auto by občas se naplnila-up podle paliva, podobně jako dnešní benzínové motory automobilů. Nejpravděpodobnější palivo bude vodík, ale výzkum je dělán používat benzín-jako paliva. S největší pravděpodobností nejdříve praktické komerční využití palivových článků bude napájecí zdroje pro přenosné elektronické zařízení, lap-top počítače, mobilní telefony, atd. Tyto palivové články by používal alkohol jako palivo, takže spíše než občas dobíjet přístroj od elektrický zdroj, jen jedna bude muset vložit nový palivový kazetu. Hlavní potíž s palivovými články je jejich cena. Jinak technicky spolehlivé a dobře pracující palivové články jsou k dispozici po celá desetiletí: americká kosmická program byl jejich použití běžně, jak brzy jako programu Apollo. Samozřejmě, že v ceně vesmírnou loď není prvořadým hlediskem, ale spolehlivost.

Mnoho každodenních chemické výrobky v domácnosti jsou připojeny k elektrochemii. "Bleach" je vyroben z produktů elektrolýzy solanky ("chlor" a "louh sodný"), nebo může být provedeno přímo u elektrochemického článku. Pokud máte bazén, může se jednat o malé zařízení na výrobu lokálně malé množství chlóru či bělidla, které potřebujete k léčbě vody v bazénu. Vaše pitná voda je pravděpodobně přídavek chlóru, případně vyráběny přímo na místě u malých elektrochemických článků nebo nakoupeny od společnosti vyrábějící ji nálevu elektrolýzou. Chlór je také základní součástí mnoha plasty, jako je PVC, který se používá v mnoha domácnostech na potrubí.

Mnoho čistící prostředky, čistící prostředky, mýdla jsou vyrobeny s "louhu", který je také generován ve slaném nálevu, elektrolýzu buněk. Vše papír byl vyroben pomocí velkého množství louhu, a to byl možná léčena chlór odbarvit. Hydroxid sodný se používá při přípravě mnoha potravinářských výrobků.

Vše, co se kolem sebe, která je vyrobena z hliníku, byl vyroben elektrochemického procesu, který je prakticky jediným a ekonomický způsob, jak vyrábět hliníkové z jeho rudy. Mnoho jiných běžně používané kovy mohou být vyrobeny z jejich rud nebo rafinovaný (čištěná) podle elektrochemických procesů . Některé z nich jsou: měď, zinek, stříbro, olovo, a mnoho dalších. Kovové předměty jsou často chráněny před korozí potažením nich s větší odolností proti korozi kovu. Více často než ne, je to provádí galvanické pokovování , chromování je toho dobrým příkladem. Dekorativní nátěry jsou také použity elektrochemicky, nádobí a šperky jsou často stříbrné nebo pozlacené zlepšit vzhled. Někdy celý šperky kus je vyroben s elektrolytického procesu zvaném galvanoplastiky .

Další každodenní použití elektrochemické zařízení, je v chemické analýze. V laboratoři, jsou široce používány elektrochemické metody. Ale i v každodenním životě existují elektrochemické aplikace. Například, glukóza senzor použitý u diabetiků je často elektrochemické zařízení.

Výše uvedené je stručný a zběžný přehled z mnoha aspektů každodenního života připojených k elektrochemii. Ale jak je to elektrochemie liší od chemie obecně? Jaká je souvislost mezi elektřinou a chemie?

Ústřední otázkou v elektrochemii

Elektrochemické reakce jsou vždy oxidační / redukční reakce prováděné za zvláštních okolností. Oxidace (alespoň ve své jednoduché formě), je velmi dobře známý typ reakce. Většina lidí bude okamžitě myslet koroze, reakce železa s kyslíkem ze vzduchu za vzniku oxidů železa, rez. Ale lékárny definovat oxidaci mnohem obecněji, reakce s plynným kyslíkem, je pouze jedním příkladem z oxidace.

Atomy a molekuly se skládají z vysoce jádra s elektrony vířící kolem něj. Obecná definice "oxidace / redukce" je darování elektronů jedné molekuly nebo atomu k jinému. Mezi druhy, které daruje elektron je řekl, aby byl "oxiduje", a druhy přijímající elektron je řekl, aby byl "zlevněné". Oxidace a redukce vždy se vyskytují společně, oxidace je vždy doprovázena co se snižuje, a redukce je vždy doprovázena něco oxiduje. Elektron má jít odněkud někam. Tyto elektrony jsou stejné elektrony, které nesou elektrické proudy v domácnosti obvodu nebo elektronické zařízení. Za normálních podmínek to může elektron pohyb mezi atomy nebo molekulami nelze použít k provedení užitečnou práci, elektron pohyb se děje v extrémně krátké vzdálenosti, je možné považovat za "vnitřní proud". Ale v případě, že obě části reakce, oxidace a redukce, jsou od sebe odděleny velkým (atomicky mluvení) vzdálenosti, a obě reakční místa jsou spojena drátem pro elektrony cestovat, nyní tento "vnější proud" může být použity k provedení užitečnou práci, světlo žárovky nebo spustit motor. To je elektrochemie v praxi!

Jeden z nejjednodušších příkladů je oxidace vodíku kyslíkem za vzniku vody. Je dobře známo, že vodík je výbušný-li ve směsi se vzduchem, směs je nestabilní, vše, co potřebuje, je jiskra, nebo malý plamen k zahájení reakce, která probíhá spontánně než (a výbušně) k výrobě vodní páry. Při této reakci, elektrony se pohybují od vodíku na kyslík, ale to "elektrický proud" je k ničemu, pokud jde o nás. Ale je to stejné reakce, která v "vodík-kyslík" palivové články mohou produkovat užitečné proud (například řídit automobil v budoucnu). 

Obr. 1.. Princip funkce palivového článku. (Zkopírováno z článku nakysličník pevné látky palivové .)

Jak je znázorněno na obr. 1, je atom vodíku a kyslíku plyny nesmí míchat v palivovém článku, jsou-li podávány na dvou samostatných kovových konstrukcí (na elektrody na palivové články), kde se mohou darovat nebo přijímat elektrony (vodík oxidovat daruje jeho elektrony, zatímco kyslík je snížena přijímá elektrony). Elektrony pak přechod z jedné elektrody na druhou přes vnější vodič, a vytvoření použitelného elektrický proud. Na povrchu elektrod současné změny z elektronickédo iontové . V palivovém článku, je proud přenáší z jedné elektrody na druhou prostřednictvím pouze iontově vodivým elektrolytem (jiné elektronické vedení uvnitř by zkratu palivový článek). Toto prostorové oddělení oxidace a redukce části celkového oxidace / reakce redukce je základním rysem elektrochemie. Elektrony, spíše než jen skákat z jednoho atomu nebo molekuly na straně druhé, jsou nuceny se pohybovat prostřednictvím externího drát, a výsledný elektrický proud je k dispozici pro využití v praxi. Existuje samozřejmě řada jiných zúčastněných podrobnosti, jak bude je uvedeno níže, ale podstata elektrochemie je prostorové oddělení oxidační části (dar elektronů k elektrodě) a snížení část (příjem elektronů z elektrody) celkové reakce. Toto palivo reakce buňky je dobrým příkladem jednoho typu elektrochemické reakce: spontánní chemické reakce výrobu elektřiny. Vodík a kyslík jsou velmi reaktivní k sobě, chtějí reagovat a bude využít každé příležitosti k tomu. V důsledku toho, když jsou odděleny a nemohou přímo reagovat, budou-li to vhodné elektrody jsou tam, kde se mohou darovat / přijímat elektrony a vynutit použitelný externí proud. V tomto typu elektrochemických článků , je chemická reakce slouží k výrobě elektrické energie.

Tam je další typ elektrochemické reakce: ten, který nebude pokračovat, pokud k tomu nuceni. Reverzní reakce vodíku a kyslíku, reakce na palivové články je toho dobrým příkladem. Voda, která se skládá z vodíku a kyslíku, lze rozložit, čímž se získá jeho čisté prvky. Ale to není spontánní reakce (alespoň ne v "normálních" podmínek, které je: při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku), musí být přinucen k přívodu energie. Jeden způsob, jak donutit je prostřednictvím elektrického proudu mezi dvěma elektrodami ponořenými v nějakém vodním roztoku. Záporná reakce jsou uvedeny v obr. 1, dojde k: vodík a plynný kyslík se bude vyrábět, a mohou být shromažďovány odděleně. Jedná se o starou technologii s mnoha minulých i současných praktického využití, např. výroba kyslíku v ponorek obnovit atmosféru ponorky. V tomto typu elektrochemických článků , je elektrická energie použité k výrobě chemické změny. Viz  dodatek pro některé podrobnosti o palivových článků a vody elektrolýzou reakce.

Velmi stručně řečeno, to je základní příběh elektrochemie. Všechny praktické příklady uvedené v předchozím oddíle jsou jen variace na stejné téma. Samozřejmě, electrochemists starat o doplňující údaje zapojených do těchto systémů. Jaký je elektrický potenciál rozdíly mezi elektrodami ? Jak budou tyto potenciály změní, když proud teče? Jak bude ionty nesou proudu v elektrolytu mezi elektrodami? Co je nejlepší (chemikálie, které mají být oxidovány / snížit ), které mají být použity? Jaké jsou nejlepší materiály elektrod, které mají být použity? Co je nejlepší elektrolyt se používá? , Ale pro účely tohoto úvodu, je možné pouze ignorována.

Tam mohou být některé informace stojí za zmínku. Elektrody v elektrochemických článků, jsou obvykle vyrobeny z kovů nebo slitin, někdy z uhlíku . Elektroda, kde dojde k oxidaci, (to znamená, že pokud elektrony jsou darovány na elektrodě) se nazývá "anoda", a elektrodu, kde dojde k snížení (to znamená, že pokud jsou elektrony přijímány z elektrody) se nazývá "katoda". Elektrolyt je obvykle roztok ve vodě, někdy v jiných rozpouštědlech, občas to je roztavené soli, nebo dokonce iontově vedení pevné.

To může být také třeba poznamenat, že výše popsaný dva příklady elektrochemických článků, že vodík a kyslíku pro palivové články a vody elektrolýza buňky, je důležité součásti navrhované "vodíkové hospodářství". Předpokládá se, že solární elektřina by mohla být použita k elektrolýza vody a produkovat vodík. Nebo vodík mohou být vyrobeny přímo z vody s využitím energie slunečního záření v fotoelektrochemických buňkách . Vodík by byl odvedený na místě použití, a to buď centrální stanice, nebo jednotlivé domy, kde se palivové články by opět ji na elektřinu. Vodík může být také použit v systému dopravy (elektrická auta, atd.), aby se elektrické energie pomocí palivových článků.

Nyní některé variace na základní téma

V baterií , jsou tyto dvě látky, které jsou touží reagovat, umístěn do akumulátoru během jeho výroby tak, aby se nemohly reagovat přímo (jsou prostorově oddělené), ale mohou darovat / přijímat elektrony (jak se oxiduje / snížit) na elektrodách vložen do nich, a tím vytvářet použitelný elektrický proud. Jakmile jsou všechny materiál reagoval pryč, akumulátor je třeba vyměnit. S nabíjecími bateriemi , může elektrický proud být nucen přes použité baterie ( nabíjecí baterie), který zvrátí reakci a obnovit původní chemikálie, takže baterie může být znovu použity k výrobě elektrického proudu.Chemické látky a reakce se podílejí na bateriemi jsou obvykle složitější (někdy dokonce velmi), než jen vodíku a kyslíku, například uvedené výše, ale to je detail, celkový systém zůstává stejný.

Mnoho každodenních kovy se vyrábějí (nebo čištěné) v elektrochemických článků, kde je elektrická energie použita k výrobě chemickou změnu. Jedná se o reakce, které mají být nuceni pokračovat, a často je použití elektrického proudu je tou nejlepší volbou, aby tak učinily, v některých případech se jedná o jediný praktický výběr (jako pro výrobu hliníku ). Kovové rudy se rozpustí v některých rozpouštědle, a výsledný roztok se rozkládá v buňce. Kovové ionty jsou redukovány na katodě za vzniku pevné (v některých případech kapalina) ložisku na čistý kov. Za určitých podmínek, mohou být tyto procesy lze použít pro volně ložené kovový prášek , s řízeným tvaru a velikosti, spíše než pevných kovů. Stejná reakce se vyskytuje v galvanických článků, kde koroze je rezistentní nebo dekorativní kovový povlak aplikovat na kovový předmět, který je vyroben na katodu z buňky. V těchto buňkách, dochází nevyhnutelně spojený oxidační reakce na anodě je častěji produkce kyslíku z vody, je tento kyslík za zbytečné vedlejší produkt a je odvětráván do ovzduší.

Kovové předměty mohou být také vytvořeny elektrochemicky použitím buď snížení nebo oxidační procesy, které se vyskytují v buňkách. galvanoplastiku je speciální aplikace, kde je galvanické prefabrikované formě zcela naplněna silnou ložisku (redukcí kovových iontů z roztok), aby pevný kovový předmět ve tvaru formuláře, žádné další obrábění je zapotřebí pro získání konečného objektu. Tento proces se často používá k vytvoření drahých kovů šperky. Opačná reakce se vyskytuje v elektrochemického obrábění . Zde kov, které mají být vytvořeny je z anody v elektrochemickém článku, kde se kov může být rozpuštěný (oxidován na rozpustné sloučeniny kovu) po formě velmi těsných katody (v tomto případě, je vázána na vývoj vodíku na katodě považována za zbytečné vedlejší produkt). Tento proces se často používá pro výrobu kovových předmětů ze slitin, které jsou velmi tvrdé a těžké stroje do složitých tvarů (např. lopatky turbíny). Ve všech těchto procesech chemické látky a s ní spojené reakce může být poměrně složité (někdy dokonce velmi), ale to je detail, celkový prostorově odděleny oxidace / redukce program zůstává stejný.

Mnoho jiných chemických látek ( organické nebo anorganické), se vyrábějí v elektrochemických článků. Jak již bylo uvedeno výše, jsou vždy dvě vytvořené produkty, a to jak oxidace a redukce musí probíhat současně. Bohužel, často jen jeden z těchto produktů, je zajímavé, a druhý je zbytečné vedlejší produkt. Nicméně, tyto procesy jsou často ještě poskytovat nejekonomičtější volbu. K dispozici je jeden pozoruhodný výjimka: elektrolýzy roztoku chloridu sodného (roztok běžné kuchyňské soli). Oxidační reakce vytváří plynný chlor, zatímco snížení vytváří vodík, a spolu s ní se základníroztok (viz ekv. [11] v příloze ), "louh". Jak chlor a hydroxid sodný jsou užitečné produkty. Po desetiletí byl vodík obecně považován za zbytečné vedlejší produkt a právě spálen, v poslední době, v některých zařízeních je vodík přiváděn do vodík-kyslík palivové články získat některé elektrické energie používané v tomto procesu, což má za následek tři užitečných produktů z jeden proces. Jak chloru a louhu jsou velmi důležité, velkoobjemových chemických látek, jsou používány v mnoha chemických procesů a produktů, z nichž mnohé jsou pro použití v domácnosti. Znamená to, že rozsah tohoto procesu, který se používá asi 1,5% všech elektrické energie vyrobené v USA, u elektrochemického průmyslu je na druhém místě výroby kovového hliníku , který používá asi dvakrát tolik elektrické energie.

Existuje jeden užitečný elektrochemické zařízení, které se neřídí ústřední téma. " elektrochemické kondenzátory "jsou považovány v souvislosti s baterií a palivových článků pro hybridní zdrojů energie v elektrických automobilech. Není reakce (oxidace / redukce), vyskytující se v těchto zařízeních, které jsou jednoduše a různých (a v některých ohledech lepší) verze klasických elektrických kondenzátorů .

Některé méně známé využití elektrochemie

Existuje mnoho dalších použití (a možnosti využití) elektrochemie stojí za zmínku. Elektrochemie se zabývá i zvířat a rostlin života . Podílí se také v mnoha aspektech ochrany životního prostředí . Elektrochemické procesy mohou být také použity k čištění a obnovit archeologické artefakty .Elektrochemie je široce používán k výrobě ochranných (a dekorační) oxidu povlaků na různých kovů, a to především na hliníku. Používá se při výrobě některých často používají elektrické součásti obvodu . Kromě palivových článků a baterií se již používají v kosmickém programu, elektrochemické výrobní procesy jsou také navržena pro vesmírné aplikace. Články o těchto a mnoha dalších předmětů jsou k dispozici v encyklopedii. A pro zájemce o historii, tam jsou články o historii elektrochemie , historii Elektrochemické společnosti , a články o životě a úspěchy velkého electrochemists:Heyrovský , Tafel a Volta .

Příloha

Příklad na obrázku 1, je pevný oxid palivový článek , kde se ionty , které nesou proud v elektrolytu jsou ionty kyslíku. (Protože jeho provoz při vysoké teplotě, může být použit oxid uhelnatý jako palivo v tomto případě, pro většinu ostatních palivových článků, je elektroda jed.)

Existují různé způsoby, jak napsat reakci na vodík-kyslík palivové články , v závislosti na tom, co je a co elektrolytu ionty převažují, vzhledem k tomu buňku s roztokem vytvořené ve vodě jako rozpouštědla, by účinky vyskytující se v vodík-kyslík palivové články závisí, zda je roztok kyselý nebozákladní . Voda je v rovnováze s jejími ionty: "H ₂ O <==> H ^{+ +} OH ^-" ale v kyselém roztoku vodíkové ionty převažují, zatímco v zásaditých roztocích hydroxylové ionty převažují. 

Pro vodík kyslík reakce palivových článků v kyselém elektrolytu jsou: 

[1]	H 2 ==> 2H + + 2e -	(Oxidační reakce)
[2]	½ O 2 + 2H + + 2e - ==> H 2 O	(Redukční reakce)
[3]	H 2 + ½ O 2 ==> H 2 O	(Celková reakce)

Pro vodík kyslík reakce na palivové články v základním elektrolytu jsou: 

[4]	H 2 + 2 OH - ==> 2H 2 O + 2e -	(Oxidační reakce)
[5]	½ O 2 + H 2 O + 2e - ==> 2 OH -	(Redukční reakce)
[6]	H 2 + ½ O 2 ==> H 2 O	(Celková reakce)

V obou případech se reakce zahrnují oxidaci vodíku a snížení kyslíku do odpadní vody. Jedná se o spontánní reakce, které mohou být použity k výrobě elektrického proudu.

Pokud jde o případ zpětného celkové reakce, rozklad vody na vodík a kyslík, reakce na kyselém elektrolytu jsou: 

[7]	H 2 O ==> ½ O 2 + 2H + + 2e -	(Oxidační reakce)
[8]	2H + + 2e - ==> H 2	(Redukční reakce)
[9]	H 2 O ==> H 2 + O 2 ½	(Celková reakce)

Pro rozklad vody na vodík a kyslík, reakce na základní elektrolyt jsou: 

 

[10]	2 OH - ==> ½ O 2 + H 2 O + 2e -	(Oxidační reakce)
[11]	2H 2 O + 2e - ==> 2 OH - + H 2	(Redukční reakce)
[12]	H 2 O ==> H 2 + O 2 ½	(Celková reakce)

V obou případech se reakce zahrnují rozklad vody na vodík a kyslík, v podstatě oxidace vody na výrobu kyslíku a zároveň, snížení spotřeby vody k výrobě vodíku. Nejedná se o spontánní reakce, musí být nucen postupovat pomocí elektrického proudu.

Bibliografie

• Příručka palivových článků: Základy, technologie, aplikace (čtyři svazky), W. Vielstich, A. Lamm a H. Gasteiger (editoři), Wiley, Chichester, UK, 2003.
• Příručka baterií ^(3. vydání), D. Linden a TB Reddy (editoři), McGraw-Hill, New York, 2001.
• Moderní Electroplating ^(4. vydání), M. a M. Schlesinger Paunovic (editoři), Wiley, New York, 2000.
• Moderní elektrochemii 2A: Základy Electrodics ^(2. vydání), J. O'M. Bockris, AKN Reddy, a M. Gamboa-Aldeco, Kluwer / Plenum, New York, 2000.
• Moderní elektrochemii 2B: Electrodics v chemii, inženýrství, biologie a věd o životním prostředí ^(2. vydání), J. O'M. Bockris a AKN Reddy, Kluwer / Plenum, New York, 2000.
• Moderní elektrochemii 1: Ionics ^(2. vydání), J. O'M. Bockris a AKN Reddy, Plenum Press, New York, 1998.
• Průmyslové Elektrochemie ^(2. vydání), D. Pletcher a FC Walsh, Chapman Hall, London, 1989.
• Průmyslové elektrochemické procesy, AT Kuhn (editor), Elsevier, New York, 1971.

Výpisy elektrochemie knih , přezkoumání kapitoly , řízení objemu , a kompletní texty některých historických publikací jsou k dispozici také v Elektrochemie vědy a techniky zdrojem informací (ESTIR) . (Http://electrochem.cwru.edu/estir/)

Original version: http://electrochem.cwru.edu/encycl/art-i02-introduction.htm