電気化学は、電気エネルギーから化学エネルギーへの変換、およびその逆の変換を扱う化学の一分野です。化学反応は、特定の化学物質の水溶液または溶融塩に電流が流れると発生します。さらに、化学反応は、乾電池、ボタン電池、および鉛蓄電池の電気エネルギーを担っています。このレッスンでは、これらのプロセスのいくつかの特徴について学びます。
電気化学セル:
自発的な化学プロセスは、それ自体で発生する可能性があるプロセスであり、そのような反応では、システムのギブス エネルギーが低下します。このエネルギーは電気エネルギーに変換されます。逆反応は、外部エネルギーを電気エネルギーとして生成することにより、非自発的なサイクルを作成できる場合に適しています。
電気化学セルは、これらの相互変換を行うために利用されます。電気化学セルは、化学反応によって電気エネルギーを生成するデバイスです。電気化学セルに供給される電気エネルギーは、化学反応を円滑にするために使用されます。電気化学セル内のデバイスには、化学エネルギーを電気エネルギーに、またはその逆に変換する機能があります。
種類:
電気化学セルは、さらに 2 つのカテゴリに分類されます。
<オール>ガルバニ電池:
細胞エネルギーは自発的な化学プロセスまたは反応から引き出され、電流に変換されます。たとえば、ダニエル セルは、酸化還元反応が起こるために亜鉛と銅が利用されるガルバニ電池です。
Zn(s) + Cu²⁺ → (aq) Zn²⁺ (aq) + Cu(s)
酸化半分 :Zn(s) → Zn²⁺ (aq) + 2e⁻
還元半分 :Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)
Zn は還元剤で、Cu²+ は酸化剤です。半電池は電極としても識別されます。酸化の半分はアノードと呼ばれ、還元の半分はカソードと呼ばれます。電子は外部回路でアノードからカソードに移動します。アノードは負極性、カソードは正極性と言われています。ダニエル電池では、Zn が陽極、Cu が陰極になります。
電解セル:
この工程では、陽イオンと陰イオンを含む電解液に電極を浸します。電流を供給すると、イオンは反対極性の電極に向かって進み、還元と酸化が同時に起こります。
電極電位:
電極電位とは、元素がそれ自体のイオンと接触したときに電子を失うか獲得する傾向であり、正または負に帯電します。電極電位は、酸化または還元が起こったかどうかに依存する酸化または還元電位と呼ばれます。
M(s) ⇌ Mⁿ⁺(aq) + ne⁻
Mⁿ⁺(aq) + ne⁻ ⇌ M(s)
酸化電位:
酸化電位は、電子を失う傾向です。半電池の酸化電位は、溶液内のイオン濃度に反比例します。
削減可能性:
還元電位は、電子を獲得する傾向です。 IUPAC の慣例では、特に言及しない限り、還元電位のみを電極電位と呼ぶことができます。
標準電極電位 (Eº):
標準電極電位とは、標準条件下で標準水素電極と比較して決定した電極の電極電位です。
標準的な条件は次のとおりです:
(i) 溶液中の各イオンの 1 M 濃度。
(ii) 298 K の温度。
(iii) 各ガスに 1 バールの圧力。
セルのセル電位またはEMF:
セルのEMFまたは起電力は、2つの半セルの電極電位間のコントラストであり、電位の高い電極から電位の低い電極への電流の流れを引き起こします。さらに、自由エネルギー変化の割合です。
Ecell =イーカソード + イーノード
この式では、陽極の酸化電位と陰極の還元電位を使用します。
左が陽極、右が陰極なので、
=Er + El
結論:
この章では、電気化学の基本的なトピックをすべて取り上げました。さまざまな分野で使用されているさまざまな種類の電気化学セルの動作を確認しました。ガルバニ電池は、自発的な酸化還元反応に依存して電流を生成し、エネルギーを供給します。濃縮セルは、2 つの化学的に異なる電極間の還元電位の差ではなく、イオン濃度勾配によって電流が決定されるタイプのガルバニ電池です。電解セルは、外部電圧源に依存して、非自発的な酸化還元反応である電気分解に電力を供給します。最後に、さまざまな細胞タイプの熱力学を調べました。電解セルは負の起電力 (emf) と正の自由エネルギー変化を持ちますが、ガルバニ電池と濃度セルは正の起電力と負の自由エネルギー変化を持ちます。
