Verknüpfung einer elektrochemischen Zelle mit einer Elektrolysezelle
Elektrolyse tritt auf, wenn eine nicht spontane Redoxreaktion auftritt, wenn elektrische Energie in sie eingebracht wird. Eine elektrochemische Zelle nutzt zwei Redoxreaktionen, um die Bewegung von Elektronen zu erleichtern. Bei einer Alkalibatterie oxidiert die Zinkanode und setzt Elektronen frei, die durch den Kreislauf fließen, um das Mangan zu erreichen ($\ce{MnO2}$) Kathode, die reduziert wird, so dass mehr Elektronen durch den Stromkreis fließen können, ohne dass sich elektrische Ladung aufbaut. Ich gehe hier davon aus, dass beide Reaktionen spontan sind und der Elektronenaufbau in der Anode eine weitere Zinkoxidation verhindert, wenn der Kreislauf unvollständig ist.$$\ce{Zn(s) + 2OH- (aq) \rightarrow ZnO(s) + H2O(l) +2e-} [E^\theta= 1.28V]$$ $$\ce{2MnO2(s) + H2O(l) + 2e- \rightarrow Mn2O3(s) +2OH- (aq)}\ [E^\theta= 0.15V]$$
Wenn die Alkalibatterie mit einer Elektrolysezelle verbunden ist, ist es dann nicht wie mit zwei elektrochemischen Zellen, die miteinander arbeiten? Die Zinkanode wird mit der Kathode der Elektrolysezelle verbunden, und dann wird die folgende Redoxreaktion (wahrscheinlich) spontan sein. Die "elektrische Energie", die in die Elektrolysezelle eingebracht wird, ist also chemische Energie?
Auch zu sehen, dass die $\ce{MnO2}$ Kathode hat eine relativ kleine $E^\theta$Wert, wird es nicht schwierig sein, eine Oxidation der Elektrolytanode auszulösen? Funktionieren Kathode und Anode der elektrochemischen Zelle bei Anschluss an die Elektrolysezelle jetzt völlig unabhängig voneinander? In diesem Fall sollte nicht die Spannung der Batterie berücksichtigt werden, sondern die Elektrodenpotentiale von Anode und Kathode. Dies ist jedoch normalerweise nicht der Fall. Was missverstehe ich daran?
edit: Ich frage nach dem Mechanismus, wenn eine elektrochemische Zelle mit einer Elektrolysezelle verbunden ist, nicht nach den Reaktionen, die in der elektrochemischen Zelle selbst stattfinden, daher passt die vorgeschlagene Frage nicht ganz in die Rechnung.
edit 2: Ein Bild wurde hinzugefügt, um meine Zweifel besser zu zeigen. Wenn die galvanische Zelle wie hier gezeigt mit einer elektrolytischen Zelle verbunden ist, sind die galvanische Anode und die elektrolytische Kathode verbunden und wirken scheinbar als separate Zelle. Das Gleiche gilt für die beiden anderen Elektroden. Wenn dies der Fall ist, wirken die galvanische Anode und die Kathode nicht unabhängig voneinander, und daher muss das Elektrodenpotential der einzelnen Halbzelle berücksichtigt werden? Wenn sie tatsächlich verknüpft sind, wie?
Antworten
Sie scheinen ein paar Dinge zu mischen. Eine wichtige Klarstellung zu
Auch zu sehen, dass die MnO2-Kathode ein relativ kleines E hat$^o$Wert, wird es nicht schwierig sein, eine Oxidation der Elektrolytanode auszulösen? Funktionieren Kathode und Anode der elektrochemischen Zelle bei Anschluss an die Elektrolysezelle jetzt völlig unabhängig voneinander?
Die aufgeführten Elektrodenpotentiale gelten nur in relativ verdünnten Lösungen unter ganz bestimmten Bedingungen. Tragen Sie die Halbzellen nicht auf eine Trockenzelle oder eine Alkalizelle auf. Kurz gesagt, diese Zahlen sind für eine Alkalibatterie oder eine Kohlenstoff-Zink-Trockenzelle nicht von Bedeutung. Diese kommerziellen Zellzusammensetzungen sind nur eine magische Mischung, die mehr Kunst als Wissenschaft ist. Batterietechnologie ist nicht so trivial. Überlegen Sie, warum es trotz 300 Jahren Forschung nicht viele Batterietypen gibt?
Wenn Sie eine galvanische Zelle wie Ihre Alkalibatterie als einfache Wasserpumpe betrachten, werden viele Ihrer Verwirrungen verschwinden. Seine einzige Aufgabe ist es, die Elektronen zu "zirkulieren". Wenn Sie eine galvanische Zelle an eine Elektrolysezelle anschließen, können Anode und Kathoden nicht mehr als unabhängig betrachtet werden. Wenn die galvanische Zelle ein Elektron abpumpt, muss das Elektron die Kathode, Anode und den externen Stromkreis der Elektrolysezelle durchlaufen. Dabei muss sich etwas in der Elektrolysezelle chemisch zersetzen!
Für eine Elektrolysezelle ist eine galvanische Zelle nichts anderes als eine Energiequelle.
Für eine galvanische Zelle ist eine Elektrolysezelle nichts anderes als eine versorgte elektronische Schaltung.
Die galvanische Zellanode / -kathode bildet mit der Elektrolysezellenkathode / -anode keine jeweils separate Zelle, da zwischen ihnen kein Ionenfluss besteht. In ähnlicher Weise bilden für einen einfacheren Fall 2 Halbzellen keine Zelle, wenn keine ionische Verbindung zwischen ihnen besteht.
Der Grund dafür ist einfach, basierend auf der Anforderung der elektrostatischen Neutralität und den enormen Kräften zwischen unausgeglichenen Ladungen. Stellen Sie sich vor, Sie haben es geschafft, den Strom 1 A für 20 s durch den Draht zu drücken, ohne durch Ionenbewegung ausgeglichen zu werden. Die vergleichbare unausgeglichene Ladung verursacht in der Atmosphäre einen mehrere Kilometer langen Blitz.