Elektrochemische cellen, ook wel galvanische cellen genoemd, zijn systemen die chemische energie omzetten in elektrische energie door middel van spontane redoxreacties.
Opbouw van een elektrochemische cel
Een elektrochemische cel bestaat uit de volgende essentiële onderdelen:
- Halfcellen: Dit zijn twee gescheiden delen van de cel. Elke halfcel bevat een elektrode en een oplossing met ionen.
- Elektroden: Dit zijn metalen staven die in de oplossingen van de halfcellen staan. Ze dienen als geleiders voor de elektronen. Er zijn twee soorten elektroden:
- De minpool (anode): Hier vindt de oxidatiereactie plaats, waarbij de reductor elektronen afgeeft.
- De pluspool (kathode): Hier vindt de reductiereactie plaats, waarbij de oxidator elektronen opneemt.
- Zoutbrug: Dit is een verbinding tussen de twee halfcellen, vaak een buisje gevuld met een elektrolytoplossing. De zoutbrug zorgt ervoor dat ionen tussen de halfcellen kunnen bewegen, wat cruciaal is voor het behoud van ladingsneutraliteit en het sluiten van de stroomkring.
- Externe draad: Deze verbindt de twee elektroden aan de buitenkant van de cel en zorgt ervoor dat de elektronen van de minpool naar de pluspool kunnen stromen.
Werking van een elektrochemische cel
De werking van een elektrochemische cel is gebaseerd op de gelijktijdige processen van oxidatie en reductie:
- Elektronenafgifte (Oxidatie): In de ene halfcel geeft de reductor elektronen af aan de minpool (anode). Dit proces noemen we oxidatie. Een handig ezelsbruggetje is OER: Oxidatie is Elektronen Raafstaan.
- Elektronenopname (Reductie): De elektronen die vrijkomen bij de oxidatie, stromen via de externe draad naar de pluspool (kathode) in de andere halfcel. Hier neemt de oxidator deze elektronen op. Dit proces noemen we reductie.
- Elektrische stroom: De beweging van elektronen door de externe draad is de elektrische stroom die de cel genereert. Zo wordt chemische energie omgezet in elektrische energie.
- Ionenstroom: De zoutbrug zorgt ervoor dat ionen tussen de halfcellen kunnen bewegen om de ladingsbalans te herstellen die ontstaat door de elektronenoverdracht. Zonder de zoutbrug zou de reactie snel stoppen.
Voorbeeld: De Daniell-cel
Een klassiek voorbeeld is de Daniell-cel. Hierbij oxideert zink (reductor) aan de minpool en reduceren koperionen (oxidator) aan de pluspool.
- Oxidatie (minpool): Zn(s)→Zn2+(aq)+2e−
- Reductie (pluspool): Cu2+(aq)+2e−→Cu(s)
De totale reactie is: Zn(s)+Cu2+(aq)→Zn2+(aq)+Cu(s).
Waarom een batterij leeg raakt
Een elektrochemische cel kan alleen elektrische energie leveren zolang er voldoende reductor en oxidator aanwezig zijn om de chemische reactie in stand te houden. Wanneer één van deze beginstoffen volledig is opgebruikt, stopt de chemische reactie. Er kunnen dan geen elektronen meer worden afgegeven of opgenomen, waardoor de stroom van elektronen stopt en de batterij 'leeg' is. Bij niet-oplaadbare batterijen lossen de gevormde ionen op en kunnen ze niet meer terugreageren. Bij oplaadbare batterijen blijven de stoffen op de elektroden zitten, waardoor de reactie omgekeerd kan verlopen door er stroom doorheen te sturen.
Natuurkunde
Scheikunde