電気化学セルが機能するのはなぜですか？
私の教科書には、電気化学セルは、一方が電子を失い、もう一方が電子を受け入れる原因となる2つの金属の還元電位の違いのために機能すると書かれています。塩橋を使用しない場合、2つの金属の溶液が帯電し、電荷による電位差によって還元電位の差が相殺されるまで反応が進行します。この理論はすべて紙の上ではうまく機能しているように見えますが、なぜこの反応が起こるのかは実際には説明されていません。
私が言いたいのは、あなたが銅と銀の半電池を持っていると仮定することです。それらは接続されています。銅の部分は、銀の半電池で接続されているのか、ナトリウムのセルで接続されているのかわからず、この情報がセル間で伝達されていることはわかりません。したがって、溶液に溶解するのか、沈殿するのかをどのように知るのでしょうか。解決？
この本は、還元電位の違いにより、電荷が流れる電位勾配が設定されると述べています。私はこれに完全に同意しますが、なぜこれが物理的に起こるのか理解できません。電子が一方の電極からもう一方の電極に移動する原因となる力は何ですか？特に塩橋がない場合、電子は正極から負極に移動します。これは私が知っていることとはまったく逆です。
2つの電極間で情報を共有せずに自発的に電子を流す溶液の局所的な現象には多少の違いがあるに違いないと思います。例：最初は、銀よりも還元電位が低い銅は、他の電極から完全に独立した、より速く溶解して沈殿し（基本的には速い（？）平衡）、この差の速度によって何らかの形で電子が流れると思いました。私はしばらくしてこの考えを拒否しましたが、他の半電池から完全に独立している半電池のある種の局所現象の違いが反応を前進させると思います。
何かご意見は？
回答
たぶん、あなたは画像でよりよく理解するでしょう、あるいはあなたがすべての金属が電子を失うことを「望んでいる」ことを認めるなら。そしてそれをするために、彼らは「その意志に反して」働くことを受け入れるのに十分に弱いか「謙虚」である別の原子を見つけなければなりません。言い換えれば、いくつかの原子は他の原子よりも「進んで」います。それは「強い」原子と「弱い」原子を持つ戦いのようなものです。あなたの銅-銀電池では、銅はより積極的です：それはその電子を「弱い」銀原子に押し付けます。銀はそれ自身の電子を放出することはできません。銅から電子を受け取り、これらの電子を適切なイオンと反応させることさえ義務付けられています。より多くの銀原子を生成します。一部の原子は銅よりも強いです。たとえば、亜鉛は銅とは対照的に、その電子を銅に押し付けました。この「強度」の順序は実験的なものであり、計算によって導き出すことはできません。
今、より科学的に話すために、あなたは現在の強さの概念を還元電位に置き換えることができます。還元電位が負であるほど、金属は電子を失う傾向があります。
とにかく、細胞が機能するためには塩橋が絶対に必要です。塩橋がなければ、それは細胞ではなく、化学反応も電気カラントも生成しません。
- マニットが要求する補完。局所的な現象で細胞を説明したい場合は、次のような展開を検討してください。あなたは銅がもっと創造したいということを認めるかもしれません$\ce{Cu^{2+}}$溶液中のイオン。これらのイオンは正に帯電しています。したがって、銅のコンパートメントは、銅板の周りに現れる新しい正電荷を補償するために負イオンを引き付ける必要があります。結果として、新しい$\ce{Cu^{2+}}$イオンは、利用可能な場所、つまり他のコンパートメントから負イオンを引き付けます。そしてとして$\ce{Ag}$ 作成できません $\ce{Ag+}$同じ力のイオンの場合、銀プレートは、負の硝酸イオンを失って銅コンパートメントに送ることを認める必要があります。そして結果として、それは陽イオンが$\ce{Ag+}$また、コンパートメントから「消える」はずです。そして、この電荷をコンパートメントから消す唯一の方法は、電子を受け入れることです。$\ce{Ag+}$イオンは金属銀に変換されます。OK ？
重要なことは、金属を含む電気化学セルが溶解または堆積するという考えに限定されないことです。
より一般的なイメージは、一般的なレドックス半反応です。
$\ce{<oxidized form> + n e- <=> <reduced form>}$
酸化型は、次のような金属イオンである場合とそうでない場合があります。 $\ce{Cu^2+}$ または $\ce{Ag+}$。
還元型は、電極の金属である場合とそうでない場合があります。$\ce{Cu(s)}$ または $\ce{Ag(s)}$。
たとえば、産業用エネルギー貯蔵タイプの1つは、不活性電極を備えたこの水性バナジウムシステムを備えたセルを使用します。
$$\begin{align} \ce{V^2+(aq) &<=>[discharging(anode)][charging(cathode)] V^3+(aq) + e-}\\ \\ \ce{VO2+(aq) + e- + 2 H+(aq) &<=>[discharging(cathode)][charging(anode)] VO^2+(aq) + H2O} \end{align}$$
どの回路にも接続されていなくても、電極では両方向に進行中の反応があります。電極がたまたま平衡電位を持っている場合、両方の反応は同じ速度であり、正味の電子生成はゼロです。
電極の電位が平衡電位よりも低い場合、電子を消費する還元反応が速くなり、電極電位が平衡電位に向かって上昇します。電位が外部から強制されない限り、たとえば電気分解の場合。同様に、電極の電位が平衡電位よりも高い場合、電子を生成する酸化反応が速くなり、電極電位が平衡電位に向かって低下します。
電子チップは、必要な電圧レベルを内部で生成するために電子チャージポンプを使用していることが知られています。電極システムは、化学的に動力を供給されるチャージポンプと同様に考えることができます。
2つの電極がガルバニック回路で接続されている場合、電流はそれらの電位を不均衡にし、「化学チャージポンプ」が電極への電子の供給と電極からの電子の収集を開始します。化学プロセスが速い場合、セルは内部抵抗の低いハード電圧源です（自動車の酸鉛電池のように）。それらが遅い場合、セルは高い内部抵抗を持つソフトソースです。