ขั้วบวกและขั้วลบเป็นชนิดของขั้วไฟฟ้าที่พบในเซลล์ไฟฟ้า อุปกรณ์เหล่านี้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมี เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ใช้มากที่สุดคือแบตเตอรี่
เซลล์ไฟฟ้าเคมีมีสองประเภทคือเซลล์อิเล็กโทรไลต์และเซลล์กัลวานิกหรือโวลตาอิก ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ปฏิกิริยาทางเคมีที่ก่อให้เกิดพลังงานไม่ได้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ แต่กระแสไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นปฏิกิริยาลดปฏิกิริยาเคมีออกซิเดชั่น
เซลล์กัลวานิกประกอบด้วยเซลล์ครึ่งเซลล์สองเซลล์ สิ่งเหล่านี้เชื่อมต่อกันด้วยสององค์ประกอบคือตัวนำโลหะและสะพานเกลือ
ตัวนำไฟฟ้าตามชื่อหมายถึงนำไฟฟ้าได้เนื่องจากมีความต้านทานต่อการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าน้อยมาก ตัวนำที่ดีที่สุดมักเป็นโลหะ
สะพานเกลือเป็นท่อที่เชื่อมระหว่างครึ่งเซลล์ทั้งสองโดยที่ยังคงหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าและไม่ให้ส่วนประกอบของแต่ละเซลล์มารวมกันครึ่งเซลล์ของเซลล์กัลวานิกแต่ละเซลล์ประกอบด้วยอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์
เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีเซลล์ครึ่งหนึ่งจะสูญเสียอิเล็กตรอนไปยังอิเล็กโทรดของมันโดยผ่านกระบวนการออกซิเดชั่น ในขณะที่อีกตัวได้รับอิเล็กตรอนสำหรับอิเล็กโทรดของมันโดยผ่านกระบวนการรีดักชัน
กระบวนการออกซิเดชั่นเกิดขึ้นที่ขั้วบวกและกระบวนการรีดักชันที่แคโทด
ขั้วบวก
ชื่อของขั้วบวกมาจากภาษากรีกανά (aná): ขึ้นไปและοδός (odós): ทาง ฟาราเดย์เป็นผู้บัญญัติศัพท์นี้ในศตวรรษที่ 19
คำจำกัดความที่ดีที่สุดของแอโนดคืออิเล็กโทรดที่สูญเสียอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาออกซิเดชั่น โดยปกติจะเชื่อมโยงกับขั้วบวกของการถ่ายเทกระแสไฟฟ้า แต่ก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้นเสมอไป
แม้ว่าในแบตเตอรี่ขั้วบวกจะเป็นขั้วบวก แต่ในไฟ LED จะอยู่ตรงกันข้ามโดยขั้วบวกเป็นขั้วลบ
โดยปกติจะมีการกำหนดทิศทางของกระแสไฟฟ้าโดยพิจารณาว่าเป็นทิศทางของประจุอิสระ แต่ถ้าตัวนำไม่ใช่โลหะประจุบวกที่เกิดขึ้นจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวนำภายนอก
การเคลื่อนที่นี้หมายความว่าเรามีประจุบวกและลบซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามดังนั้นจึงมีการกล่าวว่าทิศทางของกระแสคือเส้นทางของประจุบวกของไอออนบวกที่อยู่ในขั้วบวกไปยังประจุลบของแอโนด พบในแคโทด
ในเซลล์กัลวานิกมีตัวนำโลหะกระแสที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาจะเป็นไปตามเส้นทางจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ
แต่ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์เนื่องจากไม่มีตัวนำโลหะ แต่เป็นอิเล็กโทรไลต์ไอออนที่มีประจุบวกและลบสามารถพบได้ซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม
Thermionic anodes รับอิเล็กตรอนส่วนใหญ่ที่มาจากแคโทดทำให้ขั้วบวกร้อนขึ้นและต้องหาวิธีกระจาย ความร้อนนี้ถูกสร้างขึ้นในแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กตรอน
anodes พิเศษ
มีขั้วบวกชนิดพิเศษเช่นที่พบในรังสีเอกซ์ในหลอดเหล่านี้พลังงานที่ผลิตโดยอิเล็กตรอนนอกจากจะผลิตรังสีเอกซ์แล้วยังสร้างพลังงานจำนวนมากที่ทำให้ขั้วบวกร้อนขึ้น
ความร้อนนี้เกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองซึ่งออกแรงดันอิเล็กตรอน เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในกระแสไฟฟ้าพวกมันจะกระทบกับขั้วบวกและส่งผ่านความร้อนไปยังมัน
แคโทด
แคโทดคืออิเล็กโทรดที่มีประจุลบซึ่งในปฏิกิริยาเคมีจะเกิดปฏิกิริยารีดักชันซึ่งสถานะออกซิเดชันจะลดลงเมื่อได้รับอิเล็กตรอน
เช่นเดียวกับขั้วบวกฟาราเดย์เป็นผู้แนะนำคำว่าแคโทดซึ่งมาจากภาษากรีกκατά: 'downwards' และὁδός: 'way' สำหรับอิเล็กโทรดนี้ประจุลบจะเกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป
วิธีนี้กลายเป็นเท็จเนื่องจากขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ที่อยู่ในนั้นมีการโหลดอย่างใดอย่างหนึ่ง
ความสัมพันธ์กับขั้วลบเช่นเดียวกับขั้วบวกเกิดจากสมมติฐานที่ว่ากระแสไหลจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ สิ่งนี้เกิดขึ้นภายในเซลล์กัลวานิก
ภายในเซลล์อิเล็กโทรไลต์สื่อถ่ายโอนพลังงานซึ่งไม่ได้อยู่ในโลหะ แต่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์ไอออนลบและบวกสามารถอยู่ร่วมกันได้ซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกัน แต่ตามแบบแผนแล้วกระแสบอกว่าไปจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ
แคโทดพิเศษ
แคโทดเฉพาะประเภทหนึ่งคือแคโทดเทอร์มิโอนิก ในสิ่งเหล่านี้แคโทดจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเนื่องจากผลของความร้อน
ในเทอร์มิโอนิกวาล์วแคโทดสามารถให้ความร้อนได้เองโดยการหมุนเวียนกระแสความร้อนในไส้หลอดที่ติดอยู่
ปฏิกิริยาสมดุล
ถ้าเราใช้เซลล์กัลวานิกซึ่งเป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่พบมากที่สุดเราสามารถกำหนดปฏิกิริยาสมดุลที่สร้างขึ้นได้
ครึ่งเซลล์แต่ละเซลล์ที่ประกอบขึ้นเป็นเซลล์กัลวานิกจะมีแรงดันไฟฟ้าที่เรียกว่าศักยภาพในการรีดิวซ์ ภายในครึ่งเซลล์แต่ละเซลล์จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นระหว่างไอออนที่แตกต่างกัน
เมื่อปฏิกิริยานี้เข้าสู่สภาวะสมดุลเซลล์จะไม่สามารถให้ความตึงเครียดได้อีก ในเวลานี้การเกิดออกซิเดชันที่เกิดขึ้นในครึ่งเซลล์ในขณะนั้นจะมีค่าเป็นบวกยิ่งใกล้สมดุลมากขึ้น ศักยภาพของปฏิกิริยาจะมากขึ้นเมื่อถึงจุดสมดุลมากขึ้น
เมื่อขั้วบวกอยู่ในสภาวะสมดุลจะเริ่มสูญเสียอิเล็กตรอนที่ผ่านตัวนำไปยังขั้วลบ
ปฏิกิริยารีดักชันกำลังเกิดขึ้นที่แคโทดยิ่งอยู่ห่างจากสภาวะสมดุลมากเท่าไหร่ปฏิกิริยาก็จะมีมากขึ้นเมื่อเกิดขึ้นและรับอิเล็กตรอนที่มาจากขั้วบวก
อ้างอิง
- HUHEEY, James E. , และคณะ เคมีอนินทรีย์: หลักการของโครงสร้างและปฏิกิริยา Pearson Education India, 2006
- SIENKO, มิเชลเจ.; ROBERT, A. เคมี: หลักการและคุณสมบัติ. นิวยอร์กสหรัฐอเมริกา: McGraw-Hill, 1966
- BRADY, James E. เคมีทั่วไป: หลักการและโครงสร้าง. ไวลีย์, 1990
- PETRUCCI, Ralph H. , และคณะ เคมีทั่วไป. กองทุนการศึกษาระหว่างอเมริกา พ.ศ. 2520
- MASTERTON วิลเลียมแอล.; HURLEY, Cecile N. เคมี: หลักการและปฏิกิริยา. Cengage Learning, 2015.
- BABOR โจเซฟก.; BABOR, JoseJoseph A .; AZNÁREZ, José Ibarz เคมีทั่วไปสมัยใหม่: ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเคมีเชิงฟิสิกส์และเคมีเชิงพรรณนาที่สูงขึ้น (อนินทรีย์อินทรีย์และชีวเคมี) มาริน, 2522.
- ชาร์ล็อต, แกสตัน; TRÉMILLON, เบอร์นาร์ด; BADOZ-LAMBLING, J. ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี. โทเร - แมสซอน, 2512