Hoe werkt een elektrochemische cel?

Een elektrochemische cel, ook wel galvanische cel genoemd, is een systeem dat chemische energie omzet in elektrische energie door middel van spontane redoxreacties. Dit proces vindt plaats in twee gescheiden halfcellen.

Hoe het werkt:

1. Redoxreacties: In een elektrochemische cel vinden tegelijkertijd een oxidatiereactie (elektronenafgifte) en een reductiereactie (elektronenopname) plaats.
2. Rollen van oxidator en reductor:
   • De reductor (de stof die elektronen afstaat) reageert aan de minpool (anode). Hier vindt oxidatie plaats.
   • De oxidator (de stof die elektronen opneemt) reageert aan de pluspool (kathode). Hier vindt reductie plaats.
3. Elektronenstroom: De elektronen die vrijkomen bij de oxidatie aan de minpool, stromen via een externe draad naar de pluspool, waar ze worden opgenomen bij de reductie. Deze elektronenstroom is de elektrische stroom die de cel genereert.
4. Zoutbrug: Een zoutbrug is een essentieel onderdeel dat de twee halfcellen met elkaar verbindt. Het bevat een elektrolytoplossing en zorgt ervoor dat ionen tussen de halfcellen kunnen bewegen. Dit is cruciaal om de ladingsneutraliteit in beide halfcellen te behouden en de stroomkring te sluiten. Zonder een zoutbrug zou de opbouw van lading in de halfcellen de reactie snel stoppen.

Voorbeeld: De Daniell-cel Een klassiek voorbeeld is de Daniell-cel, die bestaat uit een zinkelektrode in een zinksulfaatoplossing en een koperelektrode in een kopersulfaatoplossing, verbonden door een zoutbrug en een externe draad.

• Aan de minpool (anode): Zink (reductor) oxideert en staat elektronen af: $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$
• Aan de pluspool (kathode): Koperionen (oxidator) reduceren en nemen elektronen op: $Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s)$ De elektronen stromen van de zinkelektrode naar de koperelektrode via de externe draad.

Bronspanning berekenen: De spanning (potentiaalverschil) die een elektrochemische cel levert, wordt de bronspanning genoemd. Deze kun je berekenen met de formule: $\Delta E^0 = E^0_{oxidator} - E^0_{reductor}$ Waarbij:

• $\Delta E^0$ de standaard celspanning is (in Volt).
• $E^0_{oxidator}$ de standaardreductiepotentiaal van de oxidator is (te vinden in tabellen, zoals Binas).
• $E^0_{reductor}$ de standaardreductiepotentiaal van de reductor is (ook te vinden in tabellen).

Voor de Daniell-cel is de standaardreductiepotentiaal van $Cu^{2+}/Cu$ ongeveer $+0.34$ V en die van $Zn^{2+}/Zn$ ongeveer $-0.76$ V. De bronspanning is dan: $\Delta E^0 = (+0.34 \text{ V}) - (-0.76 \text{ V}) = 1.10 \text{ V}$.