Pin điện hóa và Điện cực

Một pin điện hóa kết nối hai phản ứng điện cực thông qua chất điện ly và mạch ngoài, hoặc tạo ra năng lượng điện từ một phản ứng tự phát hoặc thúc đẩy một phản ứng không tự phát bằng cách cấp nguồn.

Definition

Một thiết bị bao gồm hai điện cực tiếp xúc với một hoặc nhiều chất điện ly, trong đó quá trình oxy hóa xảy ra ở cực dương (anode) và quá trình khử xảy ra ở cực âm (cathode), chuyển đổi năng lượng hóa học và điện năng.

Scope

Chủ đề này bao gồm kiến trúc của pin điện hóa: sự phân biệt giữa hoạt động galvanic và điện phân, vai trò của cực dương (anode) và cực âm (cathode), chức năng của chất điện ly và cầu muối, và ký hiệu pin tiêu chuẩn. Nó bao gồm phân loại các loại điện cực (kim loại/ion kim loại, khí, oxy hóa khử, và điện cực màng) và các quy ước gán dấu và hướng cho các phản ứng của pin.

Core questions

• Điều gì phân biệt một pin galvanic (tự phát) với một pin điện phân (được thúc đẩy)?
• Cực dương (anode) và cực âm (cathode) được định nghĩa như thế nào một cách độc lập với cực tính?
• Chất điện ly và cầu muối đóng vai trò gì trong việc hoàn thành mạch điện trong khi vẫn duy trì tính trung hòa điện?
• Ký hiệu pin tiêu chuẩn mã hóa các thành phần và hướng của phản ứng pin như thế nào?

Key theories

Hoạt động galvanic so với điện phân

Trong một pin galvanic, một phản ứng oxy hóa khử tự phát (ΔG âm) tạo ra dòng điện qua một tải ngoài, trong khi trong một pin điện phân, một nguồn bên ngoài buộc một phản ứng không tự phát xảy ra; cùng một phần cứng có thể hoạt động ở cả hai chế độ, như trong pin sạc.

Quy ước cực dương (anode)/cực âm (cathode)

Quá trình oxy hóa luôn xảy ra ở cực dương (anode) và quá trình khử ở cực âm (cathode), do đó cực tính vật lý của mỗi điện cực phụ thuộc vào việc pin đang cung cấp hay tiêu thụ năng lượng.

Clinical relevance

Kiến trúc pin là nền tảng của tất cả các loại pin, pin nhiên liệu, máy điện phân và cảm biến. Hiểu biết về vai trò của điện cực và chức năng của chất điện ly là cơ sở để thiết kế thiết bị lưu trữ năng lượng, tổng hợp điện hóa công nghiệp và chế tạo các dụng cụ điện hóa phân tích.

History

Cột Volta năm 1800 đã chứng minh pin galvanic duy trì đầu tiên; Daniell đã cải thiện độ ổn định vào năm 1836 với thiết kế hai ngăn, và Faraday vào những năm 1830 đã giới thiệu thuật ngữ điện cực, cực dương (anode), cực âm (cathode), và chất điện ly cùng với các định luật định lượng về điện phân.

Key figures

• Alessandro Volta
• Michael Faraday
• John Frederic Daniell

Seminal works

• bard2001
• atkins2018
• hamann2007

Frequently asked questions

Tại sao cực dương (anode) lại chuyển từ âm sang dương giữa pin và bộ sạc?

Cực dương (anode) được định nghĩa bởi quá trình oxy hóa, không phải cực tính; trong một pin đang xả, điện cực bị oxy hóa là cực âm, nhưng trong quá trình sạc, điện cực bị oxy hóa được thúc đẩy từ bên ngoài trở thành cực dương.

Cầu muối làm gì?

Nó kết nối hai nửa pin bằng ion, cho phép các ion di chuyển để cân bằng điện tích được tạo ra bởi các phản ứng điện cực để pin duy trì tính trung hòa điện, đồng thời ngăn chặn sự trộn lẫn lớn của hai dung dịch.