はじめに
電気化学セルは、内部の化学反応から電気エネルギーを生成するか、電力を利用して内部の化学反応を促進する機器です。これらのデバイスを使用して、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できます。テレビのリモコンや時計などの多くの電気製品に電力を供給する従来の 1.5 ボルト セルは、電気化学セルの一例です。
ガルバニ電池とボルタ電池は、化学プロセスによって電流を生成する 2 つのタイプです。あるいは、電流が流れると化学反応を起こすセルは、電解セルと呼ばれます。
細胞電位
- 電気化学セルは、電解質に浸された電極で構成される 2 つの半電池で構成されています。両方の半電池に同様の電解液を使用できます。
- これらのハーフセルは塩橋によって結合されており、混合せずにハーフセル間のイオン接触のプラットフォームを提供します。塩橋は、硝酸カリウムまたは塩化ナトリウムの溶液に浸したろ紙です。
- 電気化学セルの半セルの 1 つは酸化により電子を失い、もう 1 つは除去プロセスによって電子を取得します。
- 両方のハーフセルで安定化反応が発生します。バランスに達すると、正味の電圧は 0 になり、セルは電気の生成を停止します。
- 電極が電解質と接触して電子を失ったり獲得したりする方法は、電極容量によって表されます。これらの電位の重要性は、全体的な細胞電位を示すために使用できます。主に、電極電位は、標準水素電極を参照電極 (既知の電位の電極) として使用して測定されます。
一次および二次セル
- 一次電池は、使い捨てのガルバニ電池です。これらのセルで発生する電気化学的効果は不可逆的です。したがって、反応物は電気エネルギーを生成するために消費され、反応物が完全に枯渇するとセルは電流の生成を停止します。
- 従属セル (充電式バッテリーとも呼ばれます) は、電気化学セルです。セルには可逆反応があります。つまり、セルはガルバニック セルおよび電解セルとして機能します。
- ほとんどの一次電池 (直列、並列、またはその 2 つの組み合わせで接続された複数のセル) は、無駄が多く、環境に有害なデバイスと見なされます。それらは、製造プロセスに含まれるエネルギーの約 50 倍を必要とします。また、多くの有毒金属が含まれており、有害廃棄物と見なされています。
電気化学セルのカテゴリ
電気化学セルの 2 つの主な種類は
<オール>ボルタ電池 (ガルバニ電池): ガルバニ電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。ここでは、酸化還元反応が自動的に行われ、電力を生成します。
電解細胞: 電解セルは、電気エネルギーを化学エネルギーに変換します。酸化還元反応はランダムではなく、反応を開始するには電気的能力が必要です。両方の電極は、溶融電解質溶液内の同じ容器に配置されます。
電気化学セルの働き:
アノードとカソードは、電気化学セルの 2 つの導電性電極です。酸化を維持する電極は陽極として認識されます。還元を受ける電極が陰極です。金属、半導体、グラファイト、さらには導電性ポリマーなど、十分に機能する材料であれば、電極を作成できます。自由に動くイオンを含む電解質は、これらの電極の間に位置します。
ボルタ電池の各金属電極は、電解液に浸されています。陽極は酸化され、陰極は還元されます。アノード金属は酸化し、0 酸化状態 (固体形態) から好ましい酸化状態 (イオン) に遷移します。カソードでは、溶液中の唯一の金属イオンが 1 つ以上の電子を受け取り、イオンの酸化状態を 0 に減らします。その結果、カソード上に固体金属層が形成されます。電子が陽極の金属から陰極の表面のイオンに移動できるようにするには、2 つの電極を電気的に接続する必要があります。電流とは、モーターを回したり、電球を点灯したりできる電子の流れです。
電気化学セルの例:
反応例：ボルタ電池の動作法則は同時酸化であり、還元応答は酸化還元応答と呼ばれます。このレドックス応答は、2 つの半応答で構成されます。酸化還元ブレースは、典型的なボルタ電池のボビーと亜鉛であり、次の半電池反応で表されます:
亜鉛の電極(陽極) Zn (s) → Zn2 (aq) 2e –
電極 (カソード) Cu2 (aq) 2 e – → Cu (s)
セルは別々のティーカップで構成されています。電極の熱が電解液に浸されます。各ハーフセルは綿棒で接続されており、2 つのセル間でイオン種を自由に移動させることができます。回路が完成すると、電流がオーバーフローし、セルは電気エネルギーを「生成」します。
銅は亜鉛を容易に腐食します。陽極は亜鉛、陰極は銅です。結果の陰イオンは、異なる本質の硫酸塩です。導電性デバイスが電極をつなぐと、電気化学反応が始まります。
反応は、Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu です。
亜鉛電極は酸化されると 2 つの電子を生成し (Zn→Zn2 + 2e-)、コードを通って銅陰極に移動します。電子も結果に Cu2 を見つけ、ボビーは銅の本質に還元されます (Cu2++2e-→Cu)。応答中に亜鉛電極が使用され、本体のサイズが縮小しますが、銅電極は生成された堆積 Cu のためにより重要に見えます。セル内の電荷の流れを維持するには、スワブ グラウンドが必要です。スワブ接地がなければ、陽極で生成された電子が陰極で補われ、応答が停止します。
ボルタ電池は、主に電力の結果として使用されます。その性質上、それらは直流を生成します。バッテリーは、並列に接続されたボルタ電池のパックです。鉛蓄電池には、鉛を含むセルと二酸化鉛で構成されるカソードがあります。
電気化学セルの応用
- 電解セルは、多くの非鉄金属の電解精製に使用されます。また、これらの金属の電解採取にも利用されています。
- 高純度の鉛、亜鉛、アルミニウム、銅の展示には、電解セルが含まれます。
- 金属ナトリウムは、溶融塩化ナトリウムを電解セルに入れて電流を流すことで放出できます。
- 商業的に不可欠な電池の多くはガルバニ電池です。
- 燃料電池は、いくつかの遠隔地でクリーン エネルギー源として機能する電気化学セルの入門クラスです。
結論
電気化学セルは、化学反応から電力を発生させるか、電気エネルギーを使用して反応を駆動するデバイスです。電流を発生させる電気化学セルはボルタ電池と呼ばれ、電気分解によって化学反応を起こすものは電解セルと呼ばれます。ガルバニ電池の典型的な例は、消費者向けの標準的な 1.5 ボルトの電池です。バッテリーは、並列、直列、または直並列パターンで接続された複数のセルで構成されています。
