Chemie

Elektrochemische Reaktion Chemie

Elektrochemische Reaktion , jeder Prozess, der entweder durch den Durchgang eines elektrischen Stroms verursacht oder begleitet wird und in den meisten Fällen den Elektronentransfer zwischen zwei Substanzen beinhaltet - eine feste und eine flüssige.

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Unter normalen Bedingungen geht das Auftreten einer chemischen Reaktion mit der Freisetzung oder Absorption von Wärme und nicht von irgendeiner anderen Energieform einher; Es gibt jedoch viele chemische Reaktionen, die - wenn sie in Kontakt mit zwei durch leitende Drähte getrennten elektronischen Leitern ablaufen dürfen - sogenannte elektrische Energie freisetzen und ein elektrischer Strom erzeugt wird. Umgekehrt kann die Energie eines elektrischen Stroms verwendet werden, um viele chemische Reaktionen hervorzurufen, die nicht spontan ablaufen. Ein Prozess, der bei entsprechender Organisation die direkte Umwandlung chemischer Energie beinhaltet , bildeteine elektrische Zelle. Ein Prozess, bei dem elektrische Energie direkt in chemische Energie umgewandelt wird, ist die Elektrolyse. dh ein elektrolytischer Prozess. Aufgrund ihrer kombinierten chemischen Energie neigen die Produkte eines Elektrolyseprozesses dazu, spontan miteinander zu reagieren und die Substanzen zu reproduzieren, die Reaktanten waren und daher während der Elektrolyse verbraucht wurden. Wenn diese Umkehrreaktion unter geeigneten Bedingungen stattfinden darf, kann ein großer Teil der bei der Elektrolyse verwendeten elektrischen Energie regeneriert werden. Diese Möglichkeit wird in Akkumulatoren oder Speicherzellen genutzt, von denen Sätze als Speicherbatterien bekannt sind. Das Laden eines Akkumulators ist ein Elektrolyseprozess; Eine chemische Veränderung wird durch den durch sie fließenden elektrischen Strom erzeugt. Bei der Entladung der Zelle tritt die umgekehrte chemische Änderung auf, wobei der Akkumulator als Zelle wirkt, die elektrischen Strom erzeugt.

Schließlich verursacht der Durchgang von Elektrizität durch Gase im Allgemeinen chemische Veränderungen, und diese Art der Reaktion bildet einen separaten Zweig der Elektrochemie , der hier nicht behandelt wird.

Allgemeine Grundsätze

Substanzen, die einigermaßen gute Stromleiter sind, können in zwei Gruppen eingeteilt werden: die metallische oder elektronische Leiter und die elektrolytischen Leiter. Die Metalle und viele nichtmetallische Substanzen wie Graphit, Mangandioxid und Bleisulfid weisen eine metallische Leitfähigkeit auf; Der Durchgang eines elektrischen Stroms durch sie erzeugt Erwärmung und magnetische Effekte, jedoch keine chemischen Veränderungen. Elektrolytleiter oder Elektrolyte umfassenDie meisten Säuren, Basen und Salze befinden sich entweder im geschmolzenen Zustand oder in Lösung in Wasser oder anderen Lösungsmitteln. Platten oder Stäbe, die aus einem geeigneten metallischen Leiter bestehen, der in den flüssigen Elektrolyten eintaucht, werden verwendet, um den Strom in die Flüssigkeit hinein und aus dieser heraus zu leiten; dh als Elektroden zu wirken. Wenn ein Strom zwischen den Elektroden durch einen Elektrolyten geleitet wird, werden nicht nur Erwärmungs- und Magneteffekte erzeugt, sondern es treten auch bestimmte chemische Änderungen auf. An oder in der Nähe der negativen Elektrode , die als Kathode bezeichnet wird, kann die chemische Änderung die Abscheidung eines Metalls oder die Freisetzung von Wasserstoff und die Bildung einer basischen Substanz oder ein anderer chemischer Reduktionsprozess sein; an der positiven Elektrodeoder Anode, es kann die Auflösung der Anode selbst, die Freisetzung eines Nichtmetalls, die Produktion von Sauerstoff und einer sauren Substanz oder ein anderer chemischer Oxidationsprozess sein.

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Ein Der Elektrolyt , der entweder durch Schmelzen einer geeigneten Substanz oder durch Auflösen in Wasser oder einer anderen Flüssigkeit hergestellt wird, verdankt seine charakteristischen Eigenschaften dem Vorhandensein elektrisch geladener Atome oder Atomgruppen, die durch spontane Aufspaltung oder Dissoziation entstehender Moleküle der Substanz. In Lösungen der sogenannten starken Elektrolyte hat der größte Teil der ursprünglichen Substanz oder in einigen Lösungen vielleicht alles diesen Prozess der elektrolytischen Dissoziation in geladene Teilchen oder Ionen durchlaufen. Wenn eine elektrische Potentialdifferenz (dh eine Differenz im Elektrifizierungsgrad) zwischen Elektroden, die in einen Elektrolyten eintauchen, festgestellt wird, bewegen sich positiv geladene Ionen in Richtung der Kathode und Ionen, die negative Ladungen tragen, in Richtung der Anode. Durch diese Wanderung der Ionen wird der elektrische Strom durch den Elektrolyten geleitet. Wenn ein Ion die Elektrode mit entgegengesetzter Polarität erreicht, ist seine elektrische Ladungwird dem Metall gespendet oder es wird eine elektrische Ladung vom Metall empfangen. Das Ion wird dadurch in ein gewöhnliches neutrales Atom oder eine Gruppe von Atomen umgewandelt. Es ist diese Entladung von Ionen, die zu einer der Arten chemischer Veränderungen führt, die an Elektroden auftreten.

Geschichte

Das Studium der Elektrochemie begann im 18. Jahrhundert, blühte bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts und verblasste dann aufgrund der übermäßigen Verwendung thermodynamischer Prinzipien bei der Analyse der Prozesse, die an Stellen im System stattfinden, an denen die verschiedenen Teile Grenzflächen bilden. Seit etwa 1950 hat sich die Elektrochemie verändert. Die Untersuchung von Prozessen in Lösungen wurde weniger betont, aber die Untersuchung des Elektronentransfers zwischen Metallen und Lösung hat explosionsartig zugenommen. Mit dieser neuen Schwerpunkt Elektrochemie ein Kern immer der Wissenschaft . Es verspricht, ein wichtiger Bestandteil der Grundlage der ökologisch orientierten Gesellschaft der Zukunft zu sein, da Elektrizität kein Schadstoff ist. Die mit einigen Methoden zur Stromerzeugung verbundene Umweltverschmutzung muss jedoch verringert werden.

Die ersten elektrochemischen Reaktionen, die 1796 untersucht wurden, waren solche in der Zelle von Silber- und Zinkplatten mit Löschpapier, das zwischen ihnen mit wässriger Salzlösung benetzt war; Diese Zellen wurden vom italienischen Wissenschaftler konstruiertAlessandro Volta , nach dem der Begriff Volt benannt wurde. Diese Zelle war die erste Primärbatterie, die zur Stromerzeugung verwendet wurde.

Michael Faraday formulated the laws of electrochemical stoichiometry, which deals with the application of laws of definite proportions and of the conservation of matter and energy to chemical activity. These state that a coulomb of electricity, a unit of charge, reacts with fixed quantities of a substance (e.g., with 1.11800 milligrams of silver ions) or else that 1 gram equivalent of any substance reacts with 96,485 coulombs. This latter number represents a fundamental quantity known as one faraday of electricity. The relationship between the chemical affinity of the reactants in the cell and the voltage of the cell when it is operating was precisely defined by the U.S. chemist Josiah Willard Gibbs in 1875, while the relation of this affinity to the potential of the electrochemical cell was initially formulated by the German physical chemist Walther Hermann Nernst in 1889.

The period 1910 to 1950 was one of decline in electrochemistry, until it became limited mainly to the study of solutions. There was almost no progress in the understanding of electrochemical reactions outside of equilibrium conditions and reversibility, and knowledge of these was applied invalidly to reactions occurring at a net rate—i.e., reactions not in equilibrium and not totally reversible. From about 1950 the study of electrified interfaces, with special reference to the study of the transfer of electrons (called Elektrodik), gewann an Bedeutung und wurde zum Hauptaspekt der Elektrochemie. Ab etwa 1960 entwickelte sich die Elektrodik zu einem interdisziplinären Bereich auf der Suche nach Lösungen für Probleme wie die Energiequelle bei Raumflügen aus Brennstoffzellen, die Stabilität von Metallen in feuchten Umgebungen , die elektrochemischen Aspekte biologischer Funktionen und Extraktionen aus Gemischen und den Ersatz fossiler Brennstoffe wie Kohle und Erdöl und ihrer Nebenprodukte durch Elektrizität, die beim Transport elektrochemisch erzeugt oder gespeichert wird.