Цахилгаан химийн урвал хэзээ тохиолддог вэ?

Электрод ба электролитийн хоорондох интерфэйс дэх электрон дамжуулалтаар химийн энерги нь цахилгаан энерги болон эсрэгээр хувирах үед цахилгаан химийн урвал үүсдэг. Эдгээр урвалууд нь цахилгаан гүйдэл нь химийн өөрчлөлтийг үүсгэдэг эсвэл химийн урвалууд нь цахилгаан үүсгэдэг аливаа системд явагддаг.

Electrochemical Reactions

Цахилгаан химийн урвал нь гурван үндсэн элементийн хамт ажиллахыг шаарддаг. Электрон дамжуулагч нь гадаргуу дээр урвал явагдах электродын үүрэг гүйцэтгэдэг. Ионы дамжуулагч-ерөнхийдөө ууссан ион агуулсан электролитийн уусмал- нь электродуудын хооронд цэнэгийг урсгах боломжийг олгодог. Бүрэн хэлхээ нь эдгээр бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг холбож, гадаад замаар электрон хөдөлгөөнийг идэвхжүүлдэг.

Уг урвал нь дамжуулагчийн гадаргуугаас хэдхэн ангстромын зайд, электродын электролитийн интерфейс дээр явагдана. Энэ нарийн урвалын бүс нь электронууд нь зөвхөн металл гэх мэт электрон дамжуулагчдад хөдөлгөөнтэй хэвээр байгаа бөгөөд ионууд нь электролитээр дамжуулан цэнэгийг зөөдөг.

Галваник эсүүд нь цахилгаан үүсгэхийн тулд аяндаа үүсдэг цахилгаан химийн урвалыг харуулдаг. Эдгээр системүүдэд исэлдэлт нь анод дээр, харин бууралт нь катод дээр явагддаг. Эдгээр хоёр хагас{2}} урвалын хоорондох химийн потенциалын зөрүү нь электронуудыг гадаад хэлхээгээр дамжуулдаг.

Зайны цэнэггүйдэл нь энэхүү аяндаа явагддаг үйл явцын жишээ юм. Та сэрээтэй батерейг ашиглах үед электродын материал ба электролитийн хоорондох химийн урвалын улмаас моторыг тэжээдэг электронууд ялгардаг. Хар тугалга{2}}хүчлийн хувилбарууд нь хүхрийн хүчилд дүрсэн хар тугалганы давхар исэл, хөвөн хар тугалганы ялтсуудыг ашигладаг бөгөөд цахилгаан химийн урвал нь хадгалсан химийн энергийг өргөх үйл ажиллагаанд шаардлагатай цахилгаан эрчим хүч болгон хувиргадаг.

Даниел эс нь зарчмыг тодорхой харуулж байна. Цайрын метал нь нэг электрод дээр исэлдсээр утсаар урсдаг электронуудыг ялгаруулж, нөгөө электрод дахь зэсийн ионыг багасгадаг. Энэхүү электрон урсгал нь цахилгаан гүйдлийг бүрдүүлдэг бөгөөд урвалд орж буй бодисууд шавхагдах эсвэл систем тэнцвэрт байдалд хүрэх хүртэл үргэлжилдэг.

Электролитийн эсүүд нь аяндаа явагддаггүй ч үргэлжлэхийн тулд хүчдэл шаардлагатай-электрохимийн урвалын эсрэг хувилбарыг төлөөлдөг. Гадны цахилгаан энерги нь -аяндаа бус химийн хувиргалтыг бий болгодог.

Цэнэглэдэг батерейг цэнэглэх нь энэ зарчмыг харуулж байна. Та хар тугалга{1}}хүчиллэг батерейг цэнэглэгчтэй холбоход хэрэглэсэн хүчдэл нь цэнэг алдалтын урвалыг буцаана. Хар тугалганы сульфат нь эргээд хар тугалганы давхар исэл, хөвөн хар тугалга болж хувирдаг бол электролит дэх хүхрийн хүчлийн агууламж нэмэгддэг. Цахилгаан эрчим хүчний оролт нь дараа нь таны төхөөрөмжийг тэжээх химийн потенциалыг сэргээдэг.

Усны электролиз нь өөр нэг тод жишээ юм. Усанд живсэн электродуудад хангалттай хүчдэл өгөх нь H₂O молекулуудыг устөрөгч болон хүчилтөрөгчийн хий болгон хуваана. Шаардлагатай хүчдэл нь исэлдэх болон багасгах хагас{2}}реакцуудын химийн потенциалын зөрүүгээс хэтэрсэн байх ёстой.

Үйлдвэрийн цахилгаанаар бүрэх нь энэхүү албадан урвалын механизм дээр тулгуурладаг. Цахилгаан гүйдэл нь металлын ионуудыг уусмалаас дамжуулагч объект руу хөдөлгөж, цахилгаан химийн процессоор хамгаалалтын эсвэл гоёл чимэглэлийн бүрээсийг бий болгодог бөгөөд энэ нь эрчим хүч хэрэглэхгүйгээр явагдахгүй.

Цахилгаан химийн урвал нь температурын мэдэгдэхүйц мэдрэмжийг харуулдаг. Ихэнх батерейнууд 0 хэмээс 45 хэмийн хооронд оновчтой ажилладаг бөгөөд энэ хязгаараас гадуур гүйцэтгэл мууддаг. Хүйтэн температур нь дотоод эсэргүүцлийг нэмэгдүүлж, электролитээр дамжих ионы хөдөлгөөнийг удаашруулж, гаралтын хүчийг бууруулдаг. Хар тугалга{5}}хүчлийн батерей нь -20 градусын температурт хүчин чадлынхаа 50%-ийг алддаг бол лити-ион батерей нь ижил температурт ердөө 20%-ийн багтаамжаа алдаж илүү сайн гүйцэтгэлтэй байдаг.

Дулаан нь химийн задралыг хурдасгадаг боловч аюулгүй хязгаарт урвалын кинетикийг хурдасгадаг. Гэсэн хэдий ч 60 хэмээс дээш хэт халалт нь литийн батерейны дулааны алдагдалд хүргэж, экзотермик урвал нь өөрөө тогтвортой, аюултай болдог-. Температураас - хамаарах шинж чанар нь ионы хөдөлгөөн нь задралыг өдөөхгүйгээр өндөр хэвээр байгаа дунд зэргийн температурт цахилгаан химийн урвал илүү хурдан явагддаг гэсэн үг юм.

Электролитийн концентраци нь урвалын хурдад ихээхэн нөлөөлдөг. Хар тугалга{1}}хүчлийн батерейнд хүхрийн хүчлийн хувийн жин цэнэг цэнэггүй болох үед өөрчлөгддөг бөгөөд бүрэн цэнэглэгдсэн үед ойролцоогоор 1.27 байсан бол дуусах үед 1.10 хүртэл буурдаг. Энэхүү бууралтын концентраци нь электроныг үр дүнтэй дамжуулахад хангалтгүй хүчил үлдэх хүртэл цахилгаан химийн урвалыг удаашруулдаг.

Electrochemical Reactions

Систем нь электрон дамжуулалтыг жолоодох хангалттай цахилгаан потенциалтай үед цахилгаан химийн урвал үүсдэг. Нернстийн тэгшитгэл нь энэ хамаарлыг тоон байдлаар тодорхойлж, эсийн потенциал нь урвалд орох бодисын концентраци, температур, холбогдох материалын стандарт электродын потенциалаас хэрхэн хамаардаг болохыг харуулдаг.

Стандарт электродын потенциал нь ямар урвал аяндаа явагдахыг тодорхойлдог. Илүү сөрөг стандарт потенциалтай материалууд электроныг хялбархан өгч, тэдгээрийг тохиромжтой анод болгодог. Илүү эерэг утгатай хүмүүс катодын үүрэг гүйцэтгэдэг электронуудыг хүлээн авдаг. Эдгээр потенциалын ялгаа нь эсийн хүчдэлийг- урвалын хөдөлгөгч хүчийг тодорхойлдог.

Вольт эс цэнэггүй болох үед урвалд орох бодисын концентраци өөрчлөгдөхөд эсийн потенциал аажмаар буурдаг. Систем тэнцвэрт байдалд хүрэх хүртэл урвал үргэлжилж, энэ үед потенциал тэг болж буурч, электроны цэвэр урсгал үүсэхгүй. Энэ тэнцвэрийн төлөвөөс өмнө цахилгаан химийн урвал одоогийн нягттай пропорциональ хурдаар явагдана.

Бодит цахилгаан химийн урвалууд нь ихэвчлэн термодинамикийн минимумаас хэтэрч -нэмэлт хүчдэл шаарддаг. Энэхүү нэмэлт энерги нь электрон дамжуулалт болон массын тээвэрлэлтийн хязгаарлалтыг идэвхжүүлэх саадыг даван туулдаг. Хэт потенциал нь урвалын төрөл, электродын материал, гүйдлийн нягтаас хамаарч өөр өөр байдаг.

Хэт их потенциал багатай хурдан урвал нь хамгийн бага илүүдэл хүчдэлд үр дүнтэй явагддаг. Удаан урвал нь бодит гүйдлийн урсгалд хүрэхийн тулд их хэмжээний хэт их хүч шаарддаг. Энэ нь зарим электролитийн процессууд яагаад онолын тооцооллоос хамаагүй өндөр хүчдэл шаарддагийг тайлбарладаг.

Цахилгаан химийн урвалууд нь тоо томшгүй олон төхөөрөмж, процессуудыг ажиллуулдаг. Гар чийдэн болон алсын удирдлага дахь анхдагч батерейнууд нь эргэлт буцалтгүй урвалд тулгуурладаг бөгөөд энэ нь урвалд орж буй бодисыг шавхах хүртэл цахилгаан үүсгэдэг. Тээврийн хэрэгсэл болон электроникийн хоёрдогч батерей нь урвуу урвалыг ашигладаг бөгөөд энэ нь дахин дахин цэнэглэгдэх-цэнэглэх боломжийг олгодог.

Түлшний эс нь цахилгаан химийн урвалын үр дүнд түлшийг өндөр үр ашигтайгаар шууд цахилгаан болгон хувиргадаг өвөрмөц хэрэглээ юм. Устөрөгч нь анод дээр исэлдэж, хүчилтөрөгч нь катод дээр буурч, зөвхөн ус үүсгэдэг. Батерейгаас ялгаатай нь түлшний эсүүд нь урвалыг хадгалахын тулд тасралтгүй түлшний хангамж шаарддаг.

Зэврэлт нь метал чийг, хүчилтөрөгчтэй харьцах үед аяндаа үүсдэг хүсээгүй цахилгаан химийн урвалын жишээ юм. Төмрийн зэв нь хүчилтөрөгч багасдаг катодын хэсгүүдэд электрон урсгалаар исэлдэх урвалаар анодын хэсгүүдэд үүсдэг. Эдгээр цахилгаан химийн механизмыг ойлгох нь инженерүүдэд хамгаалалтын бүрээс болон зэврэлтэнд тэсвэртэй хайлш- боловсруулахад тусалдаг.

Аж үйлдвэрийн электрохими нь томоохон хэмжээний-үйлдвэрлэлийн процессыг идэвхжүүлдэг. Хөнгөн цагааны үйлдвэрлэл нь хөнгөн цагааны ионыг багасгахын тулд их хэмжээний гүйдэл ашиглан хайлсан хөнгөн цагаан ислийн электролиз дээр суурилдаг. Хлор шүлтийн процесс нь давсны уусмалыг электролиз болгож, үйлдвэрлэлийн чухал химийн бодис болох хлорын хий, натрийн гидроксидыг үүсгэдэг.

Electrochemical Reactions

Цахилгаан химийн урвалын хурд нь хоорондоо холбоотой хэд хэдэн хүчин зүйлээс хамаардаг. Гүйдлийн нягт-нэгж электродын талбайд ногдох гүйдэл- нь Фарадейгийн хуулиудын дагуу урвалын хурдтай шууд хамааралтай. Өндөр гүйдлийн нягт нь секундэд илүү их электрон дамжуулж, химийн хувиргалтыг хурдасгадаг гэсэн үг юм.

Масс тээвэрлэлт нь олон тооны цахилгаан химийн урвалыг хязгаарладаг. Реактив бодисууд электродын гадаргуу дээр хүрч, концентрацийн градиентийг хадгалахын тулд бүтээгдэхүүнүүд холдох ёстой. Тархалт, шилжилт хөдөлгөөн, конвекц нь эдгээр тээврийн үйл явцыг зохицуулдаг. Электролитийг хутгах эсвэл эсүүдээр дамжуулан урсгах- нь массын тээвэрлэлтийг сайжруулж, хүрч болох урвалын хурдыг нэмэгдүүлдэг.

Электродын гадаргуугийн хэмжээ чухал ач холбогдолтой. Илүү том гадаргуу нь электрон дамжуулах илүү олон сайтыг бий болгож, ижил гүйдлийн нягтралтай нийт гүйдлийг илүү өндөр болгодог. Энэ нь батерейны электродууд яагаад өндөр гадаргуугийн талбайтай-эзэлхүүний-харьцаатай сүвэрхэг бүтэцтэй, урвал явагдах интерфэйсийг дээд зэргээр ашигладаг болохыг тайлбарладаг.

Электродын материал нь өөрөө катализаторын нөлөөгөөр урвалын кинетикт нөлөөлдөг. Зарим материал нь тодорхой урвалын идэвхжүүлэлтийн энергийг бууруулж, хэт их потенциал багатай үед хурдан ажиллах боломжийг олгодог. Платинум нь устөрөгчийн исэлдэлт, хүчилтөрөгчийн бууралтыг үр дүнтэй хурдасгадаг бөгөөд энэ нь өртөг өндөртэй хэдий ч түлшний эсийн электродуудад үнэ цэнэтэй болгодог.

Электрод{0}}электролитийн интерфейс нь цахилгаан давхар давхарга гэж нэрлэгддэг нарийн төвөгтэй бүтэцтэй. Энэ бүс нь хэдхэн нанометрийн цэнэгийг төвлөрүүлж, 10⁷ В/см хүрдэг эрчимтэй цахилгаан орон үүсгэдэг. Давхар давхарга нь цахилгаан химийн урвалын кинетикт нөлөөлдөг цэнэгийг хадгалдаг конденсатор шиг ажилладаг.

Уусмал дахь ионууд цэнэглэгдсэн электродын гадаргуугийн ойролцоо байрладаг. Катионууд сөрөг электродын ойролцоо, харин анионууд эерэг электродуудад төвлөрдөг. Энэхүү ионы зохицуулалт нь электродын цэнэгийг шалгаж, ямар зүйл гадаргуу дээр хүрч урвалд ороход нөлөөлдөг. Давхар давхаргын бүтэц нь электродын потенциал харилцан адилгүй байх тул урвалын зам, хурдад нөлөөлдөг динамикаар өөрчлөгддөг.

Давхар давхаргын нөлөөг ойлгох нь цахилгаан химийн системийг оновчтой болгоход чухал ач холбогдолтой юм. Судлаачид батерейны электродуудыг илүү сайн зохион бүтээх, зэврэлтэнд тэсвэртэй байдлыг сайжруулах, илүү үр ашигтай цахилгаан катализатор боловсруулах зорилгоор эдгээр нано хэмжээний үзэгдлийг судалж байна. Давхар давхарга нь молекулын{2}} түвшний хими макроскопийн цахилгаан үзэгдэлтэй таарч байгааг илэрхийлнэ.

Галваник эсүүд нь батерейг цэнэглэх гэх мэт аяндаа үүсэх химийн урвалаас цахилгаан үүсгэдэг. Электролитийн эсүүд нь батерейг цэнэглэх, цахилгаанаар бүрэх зэрэг -аяндаа бус урвал явуулахын тулд хэрэглэсэн цахилгаан энергийг ашигладаг. Гол ялгаа нь урвал нь байгалийн (гальван) эсвэл гадны эрчим хүч (электролит) шаарддаг эсэх юм.

Тийм ээ, гэхдээ бага тохиолддог. Хатуу{1}}батарейнууд нь болор бүтцээрээ дамжуулан ион дамжуулдаг хатуу электролитүүдийг ашигладаг. Өндөр температурт хатуу исэл түлшний эсүүд керамик электролит ашигладаг. Бүр зарим хий нь тодорхой нөхцөлд электролит болж чаддаг. Гэсэн хэдий ч шингэн электролит нь ионы дамжуулалт сайтай тул хамгийн түгээмэл хэвээр байна.

Тэнцвэрт байх үед шууд болон урвуу урвалын хурд яг тэнцвэрждэг. Химийн цэвэр өөрчлөлт гарахгүй тул хэлхээгээр электронууд урсдаггүй. Систем хамгийн бага энергийн төлөвт хүрсэн тул эсийн потенциал тэг болж буурдаг. Реактив бодис нэмэх эсвэл гадны хүчдэл хэрэглэх нь урвалыг дахин эхлүүлэх боломжтой.

Илүү өндөр температур нь ерөнхийдөө ионы хөдөлгөөнийг хурдасгаж, идэвхжүүлэх энергийн саадыг багасгах замаар урвалын хурдыг нэмэгдүүлдэг. Гэсэн хэдий ч хэт халалт нь батерейны эд ангиудыг гэмтээж, урвуу урвалыг өдөөж болно. Хүйтэн температур нь урвалыг эрс удаашруулж, цахилгаан гаралтыг бууруулдаг. Цахилгаан химийн систем бүр дээд зэргийн гүйцэтгэлд хүрэх оновчтой температурын хязгаартай байдаг.

Цахилгаан химийн урвалууд нь бидний өдөр тутмын амьдралд байнга нөлөөлдөг арга замаар хими болон цахилгааны инженерчлэлийг холбодог. Ухаалаг утасны батерейгаас эхлээд металл хийцийг зэврэлтээс хамгаалах{1}}хүртэлх электродын гадаргуу дээрх электрон дамжуулах процесс нь орчин үеийн технологийг боломжтой болгодог. Электрод, электролит, химийн хөдөлгөгч хүч эсвэл хэрэглэсэн хүчдэлийн зөв хослол -химийн болон цахилгаан хэлбэрүүдийн хооронд энергийг хувиргах үед ийм урвал үүсдэг.

Electrochemical Reactions