Electrochimie

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Coperta unei cărți despre electrochimie din 1907 ( Electrochimie , Heinrich Daneell). [1]

L 'electrochimia este ramura chimiei care se ocupă cu procesele care implică transferul de electroni printr-un circuit electric extern și nu prin schimb direct în ceea ce privește reacțiile de oxidare-reducere (denumite în mod obișnuit redox ). Prin urmare, se ocupă de transformările chimice produse de trecerea electricității în anumite sisteme chimice și de producerea / stocarea electricității prin intermediul transformărilor chimice.

Pe lângă faptul că are numeroase aplicații, electrochimia oferă mijloacele de investigare și reglare a fenomenelor precum coroziunea metalelor, rafinarea acestora și majoritatea reacțiilor biochimice care guvernează funcționarea organismelor vii (de exemplu: fotosinteza , respirația celulară , transmisia a impulsurilor nervoase). În timp ce electrosinteza permite exploatarea energiei electrice în scopuri sintetice, chimia electroanalitică permite exploatarea principiilor electrochimiei aplicate analizei chimice . Electrochimia se ocupă, de asemenea, de studierea tuturor fenomenelor și posibilelor aplicații ale conducerii curente de către electroliți .

fundal

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Istoria electrochimiei .
Ilustrația stivei voltaice. ( Cu privire la electricitatea excitată de simplul contact al substanțelor conductoare de diferite tipuri. Într-o scrisoare de la Alexander Volta către Sir Joseph Banks , 1800 ).

Primele observații ale efectelor fiziologice ale curentului electric au fost demonstrate de Luigi Galvani în timpul experimentelor asupra musculaturii broaștelor la sfârșitul anilor 1700 . [2] [3] Prima conversie a energiei chimice în energie electrică a fost realizată de Alessandro Volta în 1799 cu invenția bateriei . [4] Această invenție a reprezentat o sursă importantă de curent electric, înainte de apariția generatorului . Chimistul englez William Nicholson și chimistul german Johann Wilhelm Ritter au fost primii care au efectuat electroliza apei , în 1800 , prin descompunerea acesteia în hidrogen gazos și oxigen pe care Ritter a reușit să îl izoleze. [5] Lucrând cu electroliza, Sir Humphry Davy a izolat sodiul , potasiul și metalele alcalino-pământoase din compușii lor ( 1808 ). [6] [7]

În 1832 Michael Faraday (care a inventat termeni precum electrolit , electrod , anod , catod , cation , anion [8] ) a enunțat legile fundamentale ale electrolizei care îi poartă numele. [9] John Daniell , în 1836 , a creat o baterie, care îi poartă numele, [10] folosind bateria Volta ca prototip și cu dispozitive constructive care dau o tensiune mai bună datorită absenței polarizării datorită dezvoltării hidrogenului gazos. . În 1866 Georges Leclanché a inventat antecedentul celulei uscate [11] care va fi prototipul viitoarelor baterii zinc-carbon . William Grove a creat prima celulă de combustibil în 1839 , o tehnologie care va fi utilizată în secolul următor pentru a furniza energie în misiunile spațiale. [12]

În 1884 Svante August Arrhenius și-a publicat studiile privind proprietățile electroliților, în timp ce zece ani mai târziu Wilhelm Ostwald a stabilit relația dintre conductivitatea ionică și gradul de disociere . Walther Hermann Nernst , în 1889 , a formulat ecuația Nernst , stabilind relația dintre energia liberă Gibbs legată de o reacție redox și potențialul electric al unei celule galvanice care exploatează aceeași reacție.

În 1922 Jaroslav Heyrovský , viitor laureat al Premiului Nobel , a inventat electrodul cu picătură de mercur și a marcat începutul chimiei electroanalitice moderne. Arne Tiselius a dezvoltat tehnica electroforetică în 1937 și a primit premiul Nobel unsprezece ani mai târziu pentru munca sa privind electroforeza proteinelor . În anii șaizeci , datorită muncii lui Revaz Dogonadze , s-a născut electrochimia cuantică .

Concepte fundamentale

Reactie redox

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Redox .

O reacție redox (sau redox ) este o reacție chimică care are loc cu o modificare a numărului de oxidare a reactanților datorită schimbului direct de electroni in situ. Specia chimică , care dobândește electroni, prin scăderea numărului său de oxidare, este redusă și se numește oxidant deoarece, prin reducere , provoacă oxidare . Pe de altă parte, o specie care produce electroni prin creșterea numărului său de oxidare se oxidează și se numește agent reducător, deoarece provoacă reducere prin oxidare. Cele două fenomene de oxidare și reducere trebuie să fie simultane și nu pot exista una fără cealaltă.

Un exemplu de reacție redox este următorul:

C 6 H 5 NO 2 + 2 Fe + 6 HCl → C 6 H 5 NH 2 + 2 FeCl 3 + 3 H 2 O

unde nitrobenzenul C 6 H 5 NO 2 , care dobândește 6 electroni, trecând de la un număr de oxidare +3 la -3, este specia care este redusă și, prin urmare, este specia oxidantă și fierul , care produce 3 electroni care trec de la numărul de oxidare 0 la +3, este specia care oxidează și, prin urmare, este specia reducătoare. Reacția se efectuează într-un mediu acid (în special în acid clorhidric ). C 6 H 5 NH 2 / C 6 H 5 NO 2 și Fe 2+ / Fe reprezintă două perechi redox .

Potențial standard de reducere

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Potențialul de reducere standard și ecuația Nernst .

Potențialul de reducere standard (simbolizat în mod obișnuit cu E °) este o cantitate de importanță fundamentală în electrochimie. Conceptual reprezintă potențialul asumat de un electrod în curs de examinare, în condiții standard de temperatură și presiune (298K și 1 atm ), cu activitate unitară a speciei redox, referit la electrodul de hidrogen standard . Pe lângă utilizarea în calculul proprietăților termodinamice ale unui echilibru chimic , evaluarea potențialului de reducere standard permite, de asemenea, prezicerea spontaneității unei reacții redox date.

Din potențialele de reducere standard, prin ecuația Nernst este posibil să se urmărească potențialul celulei la echilibru, din care se obține valoarea potențialului celular , luând în considerare efectele disipative ale supratensiunilor și picăturilor ohmice . [13]

Aplicații

Conversia energiei chimice în energie electrică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Pila (chimie) .
Baterie Daniell cu punte de sare care conține azotat de potasiu .

Folosind două semi-elemente galvanice conectate printr-un sept poros sau o punte sărată , este posibil să se construiască un sistem electrochimic capabil să convertească energia chimică în energie electrică. Reacțiile redox spontane au o variație negativă a energiei libere Gibbs și această energie poate fi utilizată pentru a produce muncă . În special, prin închiderea circuitului format din cele două semi-elemente galvanice este posibilă exploatarea electronilor implicați prin generarea unui flux extern de curent electric. Un astfel de sistem constituie o „ grămadă ”.

Pentru a înțelege ce se întâmplă într-o jumătate de celulă galvanică , luați în considerare, de exemplu, o baterie Daniell : este compusă din două jumătăți de celule, din care o jumătate de celule este alcătuită dintr-un electrod de zinc cufundat într-o soluție de ZnSO 4 , în timp ce o altă jumătate de celulă constă dintr-un electrod de cupru scufundat într-o soluție de CuSO 4 .

Se va stabili o diferență de potențial între cei doi electrozi: zincul (anodul) va tinde să elibereze ioni Zn 2+ în soluție în timp ce matricea electrodului tinde să-și asume o sarcină negativă (datorită eliberării cationilor), în acest fel este a creat un potențial de anod cu jumătate de celulă; în același mod, ionii Cu 2+ tind să se depună pe electrodul de cupru (catod) provocând un exces de sarcini negative în soluție și o acumulare de sarcini pozitive pe catod, cu generarea consecventă a unui potențial catodic. Închiderea circuitului va obține deci un curent electric datorită diferenței teoretice de potențial dată de diferența dintre valoarea potențialului catodic și valoarea potențialului anodic (E = E + -E - ), cu migrarea electronilor din zinc anod la catodul de cupru.

Utilizarea unui sept poros, sau mai bine zis a unei punți sărate, menține contactul între cele două jumătăți de celule, prevenind amestecarea și asigurând echilibrul exceselor de sarcini prezente în soluție, permițând fluxul de ioni. Puntea de sare împiedică, de asemenea, crearea așa-numitului potențial de contact datorită vitezei diferite de migrație pe care o posedă diferiți ioni și care, în practică, generează o forță contraelectromotivă datorită distribuției asimetrice a ionilor pe interfața septului poros.

Conversia energiei electrice în energie chimică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Electroliza .
Ilustrarea unui proces de electroliză pentru producerea de hidroxid de sodiu ( Chimie descriptivă , Lyman C. Newell).

Electricitatea poate fi utilizată pentru a furniza lucrările necesare pentru a avea loc o reacție redox non-spontană. Acesta reprezintă cazul opus grămezii și găsește mai multe aplicații practice. Electroliza reprezintă un exemplu clasic de conversie a energiei electrice în energie chimică și poate fi utilizată, de exemplu, pentru a produce hidrogen gazos din apă, pentru rafinarea metalelor sau în scopuri sintetice ca în cazul sintezei industriale a hidroxidului de sodiu . Legile lui Faraday descriu procesul de electroliză cantitativ: prima lege afirmă că cantitatea de substanță produsă este direct proporțională cu cantitatea de sarcină trecută, în timp ce a doua lege stabilește că pentru aceeași sarcină se obține o cantitate mai mare de substanță mai mare. greutate echivalentă . În chimia analitică, electrogravimetria permite determinarea cantitativă exactă a concentrațiilor de metale în soluție , cu posibilitatea de a determina, de asemenea, nivelul de puritate (de exemplu, analiza aliajelor ).

Bateriile reîncărcabile sunt regenerate prin aplicarea unui curent electric, în timp ce electrosinteza folosește acest curent în scopuri sintetice.

Protecția împotriva coroziunii

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Coroziunea .
Coroziunea este un fenomen electrochimic care poate genera serioase probleme de siguranță în legătură cu utilizarea metalelor în inginerie .

Fenomenul de coroziune la care sunt supuse metalele și aliajele reprezintă una dintre principalele probleme capabile să compromită funcționalitatea corectă și etanșarea materialelor utilizate în mod obișnuit în domeniul ingineriei, reprezentând, de asemenea, una dintre cauzele potențiale ale accidentelor fatale dacă coroziunea prelungită duce la un eșec structural. Acest lucru poate apărea datorită contactului atmosferic simplu, datorită agenților chimici (gândiți-vă la conductele industriilor chimice care transportă agenți corozivi) sau datorită depunerilor de calcar (o problemă întâlnită adesea în aparate precum cazanele sau conductele în care curge apa ). Un domeniu de cercetare interdisciplinar foarte activ vizează tocmai studiul metodelor de protecție împotriva coroziunii.

Tehnici electroanalitice

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Chimia electroanalitică .

În domeniul analitic există un set de tehnici de aplicare bazate pe principiile electrochimiei. Acestea sunt de diferite tipuri și exploatează relația dintre concentrația analitului și cantități precum diferența de potențial , conductanța electrică , cantitatea de curent transportat etc. Viteza de migrație diferită sub acțiunea unui câmp electric este utilizată prin electroforeză pentru a separa speciile încărcate, în timp ce electrogravimetria permite determinarea în greutate a cantității de analit redusă la catodul unei celule electrolitice.

Aplicații electrometalurgice

Diagrama unei celule electrolitice utilizate în procesul Hall-Héroult pentru producția de aluminiu .

Aplicațiile electrometalurgice includ electro-reducere și rafinare electrolitică ; datorită reducerii electrolitice, metalele sunt produse prin reducerea mineralelor care le conțin (prin urmare, anodul și catodul au o natură chimică diferită), în timp ce rafinarea electrolitică este un proces de purificare a metalului în sine (prin urmare, anodul și catodul sunt compuși din același metal, dar puritate diferită), cu care pot fi atinse purități mai mari de 99,99%.

Electroreducerea aluminiului este unul dintre procesele electrochimice efectuate la cea mai mare scară. Alcali , metale alcalino-pământoase și metale precum titanul , cuprul , nichelul și cromul sunt, de asemenea, produse prin electro-reducere. Această tehnică este adoptată fie pentru că carbonul nu are o putere de reducere suficientă chiar și în furnalele , fie pentru că este necesară o puritate ridicată. În general, pornind de la un mineral ca sursă, înainte de a obține elementul de interes electronic, este necesar să se efectueze leșierea urmată de concentrare și purificare.

Rafinarea electrolitică este utilizată pentru purificarea cuprului, pentru extragerea uraniului din deșeurile radioactive (care conțin impurități de plutoniu , cesiu și stronțiu ) sau pentru îndepărtarea metalelor toxice sau prețioase din fluxurile de deșeuri industriale.

Productia de acid peroxidisulfuric si peroxidisulfati

Secțiunea goală
Această secțiune despre chimie și fizică este încă goală . Ajută-ne să-l scriem!

Tratamente electrochimice ale apei

Secțiunea goală
Această secțiune despre chimie și fizică este încă goală . Ajută-ne să-l scriem!

Purificarea gazelor pe cale electrochimică

Secțiunea goală
Această secțiune despre chimie și fizică este încă goală . Ajută-ne să-l scriem!

Ramuri ale electrochimiei

În cadrul electrochimiei pot fi identificate diferite ramuri, inclusiv:

Notă

  1. ^(EN) Electrochimie, Electrochimie teoretică și fundamentele sale fizico-chimice , Heinrich Daneell (1907).
  2. ^ Dezbaterea Volta-Galvani
  3. ^ Broasca electrică Disputa Galvani - Volta și invenția bateriei Arhivat 11 noiembrie 2013 în Arhiva Internet .
  4. ^ 1799-1999 The two hundred years of Volta's pile Arhivat 30 iunie 2007 la Internet Archive .
  5. ^ Rezultatele neașteptate ale aplicării cercetărilor fundamentale ( PDF ), pe roma1.infn.it .
  6. ^ Sir Humphry Davy [ link rupt ]
  7. ^ Deschidere site - Elemente
  8. ^ Zoski , p. 3 .
  9. ^ Istoria chimiei și științei. Biografii ale oamenilor de știință. Faraday, Michael , pe minerva.unito.it . Adus la 1 mai 2010 (arhivat din original la 25 februarie 2009) .
  10. ^ Evoluția grămezii - grămada Daniell
  11. ^ Celulă uscată de zinc-carbon , pe ing.unitn.it . Adus la 1 mai 2010 (arhivat din original la 19 decembrie 2010) .
  12. ^ Celule de combustibil (sau celule) Arhivat 2 iunie 2010 la Internet Archive .
  13. ^ Ullmann's , cap. 2 .

Bibliografie

Reviste

  • Bioelectrochimie (1974-), Elsevier.
  • Electroanaliză (1989-), Wiley.
  • Electrochemical and Solid State Letters (1998-), Societatea electrochimică.
  • Comunicații electrochimice (1999-), Elsevier.
  • Electrochimica Acta (1959-), Elsevier.
  • Jurnalul de Electrochimie Aplicată (1971-), Editori Academici Kluwer.
  • Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Chemistry (1959-1992),
  • Jurnalul de chimie electroanalitică (1992-), Elsevier.
  • Jurnalul Societății Electrochimice (1902-), Societatea Electrochimică.
  • Journal of Solid State Electrochemistry (1997-), Springer-Verlag.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Thesaurus BNCF 21238 · LCCN (RO) sh85042105 · GND (DE) 4014241-3 · BNF (FR) cb119313445 (data) · NDL (RO, JA) 00561331
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Elettrochimica&oldid=122273329 ”