Ogniwa galwaniczne i komórki elektrolityczne
Istnieją dwa rodzaje ogniw elektrochemicznych: ogniwa galwaniczne - ze spontanicznymi procesami redoks, które umożliwiają ciągły przepływ elektronów przez przewodnik, dzięki czemu energia chemiczna zostaje przekształcona w energię elektryczną; i elektrolityczne, gdzie reakcje redoks są zależne od zewnętrznego źródła prądu, w którym energia elektryczna jest przekształcana w energię chemiczną.
Co to jest ogniwo galwaniczne?
Ogniwa galwaniczne są układami, w których energia chemiczna jest przekształcana w energię elektryczną, w wyniku czego generowany jest prąd. W ogniwach galwanicznych prąd stały powstaje w wyniku procesu redukcji (utleniania-redukcji). Element galwaniczny składa się z dwóch połówek komórek. Półogniwo składa się z elektrolitu i zanurzonej w nim elektrody. Pomiędzy tymi półogniwami musi być zapewniony kontakt, łączący elektrolit z mostkiem solnym lub membraną półprzewodzącą i łączący elektrodę z przewodnikiem. Oddzielenie procesu redoks tłumaczy się zachowaniem elektrod w stosunku do elektrolitu. Najprostszą opcją jest to, że półogniwo jest utworzone z metalowej elektrody zanurzonej w elektrolicie zawierającym jony odpowiadające elektrodzie. Zachowanie metali w elektrolicie zależy od reaktywności metalu, to jest od tendencji do rozpuszczania się.
Co to jest ogniwo elektrolityczne?
Prąd elektryczny przez ogniwo elektrochemiczne można zainicjować na dwa sposoby. Pierwszym jest podłączenie elektrod z przewodem do zamkniętego obwodu elektrycznego. Przez zamknięcie obwodu elektrycznego można spontanicznie wywoływać reakcje elektrodowe na obu fazach metalu / elektrolitu. Ponadto energia prądu jest uwalniana kosztem energii spontanicznej reakcji chemicznej. Komórka działająca w ten sposób nazywana jest ogniwem galwanicznym. Zostało to wyjaśnione powyżej. Innym sposobem jest zamknięcie obwodu elektrycznego przez szeregowe połączenie zewnętrznego źródła prądu w przeciwieństwie do napięcia ogniwa, przy czym zewnętrzne napięcie jest większe niż siła elektromotoryczna ogniwa. Napędza prąd w kierunku przeciwnym od kierunku jego spontanicznego przepływu przez komórkę. Z tego powodu reakcje elektrod w komórce muszą być sprzeczne z kierunkiem ich spontanicznego przepływu. Wymuszone procesy w ogniwie elektrochemicznym pod wpływem zewnętrznego źródła prądu elektrycznego zwane są elektrolizą, a ogniwo elektrochemiczne w takim trybie działania nazywa się ogniwem elektrolitycznym.
Różnica między galwaniczną i elektrolityczną komórką
W ogniwach galwanicznych istnieją spontaniczne procesy redoks, które umożliwiają ciągły przepływ elektronów przez przewodnik, przy czym energia chemiczna jest przekształcana w energię elektryczną. W ogniwie elektrolitycznym reakcje redoks zachodzą pod wpływem zewnętrznego źródła, w którym energia elektryczna zamienia się w energię chemiczną. Reakcje redoks są nie spontaniczne.
Ogniwa galwaniczne wytwarzają energię elektryczną za pomocą reakcji chemicznych. W ogniwach elektrolitycznych wykorzystuje się prąd elektryczny do wywołania reakcji chemicznej, wykorzystując po drodze zewnętrzne źródło.
Ogniwa galwaniczne składają się z dwóch różnych elektrod zanurzonych w roztworach ich jonów, które są oddzielone półprzepuszczalną membraną lub mostem solnym. Ogniwa elektrolityczne składają się z pojemnika elektrolitycznego, w którym dwie elektrody są połączone ze źródłem prądu stałego. Elektrolit może być stopionym lub wodnym roztworem pewnej soli, kwasu lub zasady.
W ogniwach galwanicznych anoda jest ujemna, a katoda jest elektrodą dodatnią. W ogniwach elektrolitycznych występuje przeciwieństwo.
W przypadku ogniwa galwanicznego reakcja utleniania zachodzi na anodzie (elektrodzie ujemnej), gdzie występuje nadmiar ładunku ujemnego. Na katodzie następuje reakcja redukcji, powodująca dodatnie nagromadzenie ładunku. W przypadku ogniwa elektrolitycznego do wywołania reakcji wykorzystywane jest źródło zewnętrzne. Na elektrodzie ujemnej, elektrony są wypychane z niej - więc faza redukcji nastąpi na elektrodzie ujemnej. Na elektrodzie dodatniej zachodzi faza utleniania - i to jest anoda.
Ogniwa galwaniczne są wykorzystywane jako źródło prądu elektrycznego i są częściej określane jako baterie lub akumulatory. Ogniwa elektrolityczne mają różne zastosowania praktyczne, niektóre wytwarzają wodór i gaz tlenowy do zastosowań komercyjnych i przemysłowych, galwanizowanie, ekstrakcję czystych metali ze stopów i tak dalej.
Ogniwo galwaniczne vs. elektrolityczne: porównanie w formie tabelarycznej
Podsumowanie komórek galwanicznych vs. elektrolitycznych
- Ogniwo elektrochemiczne składa się z dwóch półkomórek lub elektrod, których kontakt jest dokonywany przez elektrolit (przewodnik jonowy). Połówki, jeśli są rozdzielone, można połączyć mostem solnym (stężony roztwór elektrolitów w żelu agar-agarowym). Ogniwo galwaniczne wytwarza prąd elektryczny na podstawie zmiany chemicznej, która zachodzi w nim spontanicznie. Ogniwo elektrolityczne działa dokładnie odwrotnie: prąd powoduje zmianę chemiczną.Aby ogniwo było galwaniczne, musi w nim nastąpić spontaniczna zmiana chemiczna.
