เซลล์ไฟฟ้าเคมีและขั้วไฟฟ้า

เซลล์ไฟฟ้าเคมีเชื่อมโยงปฏิกิริยาของขั้วไฟฟ้าสองขั้วผ่านอิเล็กโทรไลต์และวงจรภายนอก โดยอาจสร้างพลังงานไฟฟ้าจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเอง หรือขับเคลื่อนปฏิกิริยาที่ไม่เกิดขึ้นเองด้วยพลังงานที่ป้อนเข้าไป

Definition

อุปกรณ์ที่ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่สัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์หนึ่งชนิดหรือมากกว่า ซึ่งเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่แอโนดและปฏิกิริยารีดักชันที่แคโทด โดยมีการเปลี่ยนรูปพลังงานเคมีและพลังงานไฟฟ้าระหว่างกัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างของเซลล์ไฟฟ้าเคมี: ความแตกต่างระหว่างการทำงานแบบกัลวานิกและอิเล็กโทรไลต์, บทบาทของแอโนดและแคโทด, หน้าที่ของอิเล็กโทรไลต์และสะพานเกลือ, และสัญกรณ์มาตรฐานของเซลล์ นอกจากนี้ยังรวมถึงการจำแนกประเภทของขั้วไฟฟ้า (โลหะ/ไอออนโลหะ, แก๊ส, รีดอกซ์, และขั้วไฟฟ้าเมมเบรน) และข้อตกลงในการกำหนดเครื่องหมายและทิศทางของปฏิกิริยาเซลล์

Core questions

• อะไรคือสิ่งที่แยกความแตกต่างระหว่างเซลล์กัลวานิก (เกิดขึ้นเอง) กับเซลล์อิเล็กโทรไลต์ (ถูกขับเคลื่อน)?
• แอโนดและแคโทดถูกกำหนดอย่างไรโดยไม่ขึ้นกับขั้ว?
• อิเล็กโทรไลต์และสะพานเกลือมีบทบาทอย่างไรในการทำให้วงจรสมบูรณ์ในขณะที่รักษาสภาพความเป็นกลางทางไฟฟ้า?
• สัญกรณ์มาตรฐานของเซลล์เข้ารหัสส่วนประกอบและทิศทางของปฏิกิริยาเซลล์อย่างไร?

Key theories

การทำงานแบบกัลวานิกเทียบกับการทำงานแบบอิเล็กโทรไลต์

ในเซลล์กัลวานิก ปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นเอง (ΔG เป็นลบ) จะขับเคลื่อนกระแสผ่านโหลดภายนอก ในขณะที่ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ แหล่งกำเนิดภายนอกจะบังคับให้เกิดปฏิกิริยาที่ไม่เกิดขึ้นเอง; ฮาร์ดแวร์เดียวกันสามารถทำงานได้ทั้งสองโหมด เช่นเดียวกับในแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้

ข้อตกลงแอโนด/แคโทด

ปฏิกิริยาออกซิเดชันเกิดขึ้นที่แอโนดเสมอ และปฏิกิริยารีดักชันเกิดขึ้นที่แคโทดเสมอ ดังนั้นขั้วทางกายภาพของขั้วไฟฟ้าแต่ละขั้วจึงขึ้นอยู่กับว่าเซลล์กำลังจ่ายหรือใช้พลังงาน

Clinical relevance

โครงสร้างของเซลล์เป็นพื้นฐานของแบตเตอรี่, เซลล์เชื้อเพลิง, เครื่องแยกด้วยไฟฟ้า, และเซ็นเซอร์ทั้งหมด การทำความเข้าใจบทบาทของขั้วไฟฟ้าและหน้าที่ของอิเล็กโทรไลต์เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบอุปกรณ์เก็บพลังงาน, การสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าในอุตสาหกรรม, และการสร้างเครื่องมือวิเคราะห์ทางไฟฟ้าเคมี

History

กองของโวลตาในปี 1800 ได้แสดงให้เห็นเซลล์กัลวานิกที่ทำงานได้อย่างต่อเนื่องเป็นครั้งแรก; แดเนียลได้ปรับปรุงความเสถียรในปี 1836 ด้วยการออกแบบแบบสองช่อง และฟาราเดย์ในช่วงทศวรรษ 1830 ได้นำเสนอคำศัพท์ ขั้วไฟฟ้า, แอโนด, แคโทด, และอิเล็กโทรไลต์ พร้อมกับกฎเชิงปริมาณของการแยกด้วยไฟฟ้า

Key figures

• Alessandro Volta
• Michael Faraday
• John Frederic Daniell

Seminal works

• bard2001
• atkins2018
• hamann2007

Frequently asked questions

ทำไมแอโนดจึงเปลี่ยนจากขั้วลบเป็นขั้วบวกระหว่างแบตเตอรี่กับเครื่องชาร์จ?

แอโนดถูกกำหนดโดยปฏิกิริยาออกซิเดชัน ไม่ใช่ขั้ว; ในแบตเตอรี่ที่กำลังคายประจุ ขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันคือขั้วลบ แต่ในระหว่างการชาร์จ ขั้วไฟฟ้าที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ถูกขับเคลื่อนจากภายนอกจะกลายเป็นขั้วบวก

สะพานเกลือทำหน้าที่อะไร?

สะพานเกลือเชื่อมต่อครึ่งเซลล์ทั้งสองเข้าด้วยกันด้วยไอออน ทำให้ไอออนสามารถเคลื่อนที่เพื่อปรับสมดุลประจุที่เกิดจากปฏิกิริยาของขั้วไฟฟ้า เพื่อให้เซลล์ยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้า ในขณะที่ป้องกันการผสมกันของสารละลายทั้งสอง