Pile de Combustie

1.1. SISTEME ELECTROCHIMICE

Reacţiile electrochimice sunt reacţii de transfer de sarcină, care se petrec la interfaţa conductor electronic / conductor ionic. Studiul unui proces de transfer de sarcină cu ajutorul instrumentelor e posibil numai într-un circuit complet, care implică întotdeauna doi electrozi, adică o celulă electrochimică. In figura 1.1, este reprezentată schematic o celulă electrochimică:

Figura 1.1. Celulă electrochimică .

Cationii migrează spre catod şi anionii spre anod. Curentul este definit ca un flux de sarcini pozitive şi are sensul opus electronilor în circuitul exterior. Pe linia punctata poate fi intercalată o sursă de tensiune sau un aparat de măsură în funcţie de tipul de celulă.

In condiţii de neechilibru, când prin celulă trece un curent electric net, la electrozi au loc reacţii electrochimice şi anume:

La anod are loc reacţia de oxidare, care se petrece cu cedare de electroni:

(1.1)

La catod are loc reacţia de reducere, care se petrece cu acceptare de electroni:

(1.2)

în care: O desemnează forma oxidată a unei substanţe; R – forma redusă şi z – numărul de electroni transferaţi în reacţia de electrod.

Printre celulele electrochimice există trei tipuri de sisteme posibile: sisteme producătoare de energie sau pile electrochimice, sisteme producătoare de substanţe sau celule de electroliză şi sisteme de coroziune.

Sistemele producătoare de energie (sisteme autoconduse), funcţionează în mod spontan, fiind caracterizate de o variaţie a entalpiei libere de reacţie negativă (G<0). Ca urmare a producerii spontane a reacţiilor de electrod, sistemul generează energie electrică. Ca exemplu, poate servi pila Daniel-Iacobi (figura 1.2), în care reacţiile generatoare de curent sunt:

Figura 1.2. Pila Daniel-Iacobi (schematic).

Linia punctată reprezintă diafragma poroasă care separă cele două soluţii.

La anod (electrodul negativ)reacţia de oxidare a zincului metalic la ionul său:

(1.3)

La catod (electrodul pozitiv)reacţia de reducere a ionilor de cupru din soluţie la cupru metalic, care se depune pe electrod:

(1.4)

Electronii eliberaţi la anod trec prin circuitul exterior la catod, ceea ce corespunde trecerii unui curent electric în sens invers, adică de la catod la anod.

Specia chimică, care se reduce la catod, în timpul funcţionării pilei, poartă numele de depolarizant.

Sistemele producătoare de substanţe (sisteme conduse) sau celulele de electroliză funcţionează cu ajutorul energiei electrice debitată de o sursă exterioară de curent continuu. In urma desfăşurării reacţiilor de la electrozi rezultă substanţe noi. Ca exemplu poate servi celula pentru electroliza apei (figura 1.3.), cu următoarele reacţii de electrod:

La anod (electrodul pozitiv), are loc degajarea oxigenului, conform reacţiei:

(1.5)

La catod (electrodul negativ), are loc degajarea hidrogenului:

(1.6)

Figura 1.3. Celulă pentru electroliza apei (schematic).

Sistemele de coroziune funcţionează pe principiul sistemelor autoconduse, adică în mod spontan, cu deosebirea că energia electrică rezultată ca urmare a desfăşurării procesului de coroziune nu poate fi captată şi se pierde sub formă de căldură în mediul înconjurător. Ca exemplu poate servi sistemul de coroziune format dint-un metal – zincul – imersat intr-o soluţie de acid clorhidric (figura 1.4).