Dalam catatan blog ini, kami akan menerangkan secara ringkas prinsip di sebalik bagaimana sel kimia menjana elektrik dan bagaimana kecenderungan pengionan logam menentukan anod dan katod.
Sel kimia ialah peranti yang menjana elektrik melalui tindak balas kimia; bateri yang kita gunakan dalam kehidupan seharian kita adalah sejenis sel kimia. Terdapat pelbagai jenis bateri bergantung pada saiz dan bentuknya, dan ia digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang, termasuk aplikasi isi rumah, perindustrian dan perubatan. Bateri ini mengandungi bahan kimia tertentu di dalamnya yang menjana arus elektrik. Bateri kimia menggunakan pelbagai bahan dan elektrolit untuk membekalkan elektrik, dan komponen ini mempengaruhi prestasi dan jangka hayat bateri dengan ketara. Apabila menggunakan bateri, terminal positif dan negatif mesti disambungkan dengan betul. Ini berkaitan secara langsung dengan kecekapan dan keselamatan bateri; jika disambungkan dengan salah, bateri mungkin tidak berfungsi dengan betul atau mungkin rosak. Ini kerana, dalam bateri kimia, bahagian di mana pengurangan berlaku—menambah elektron—adalah terminal positif, manakala bahagian di mana pengoksidaan berlaku—kehilangan elektron—adalah terminal negatif, dan elektron bergerak dari terminal negatif ke terminal positif.
Anod dan katod bateri kimia ditentukan oleh kecenderungan pengionan logam yang membentuk elektrod. Kecenderungan pengionan merujuk kepada kemudahan logam kehilangan elektron dan menjadi kation dalam larutan. Ini merupakan faktor kritikal yang menentukan prestasi bateri dan mempunyai kesan besar terhadap kecekapan dan jangka hayatnya. Oleh itu, logam dengan kecenderungan pengionan yang tinggi mudah larut dalam larutan elektrolit yang mengalirkan elektrik dengan baik, membentuk kation. Jika plat kuprum dan zink diletakkan dalam larutan asid sulfurik cair (H₂SO₄) untuk berfungsi sebagai elektrod, sel kimia terbentuk. Oleh kerana zink mempunyai kecenderungan pengionan yang lebih tinggi daripada kuprum, atom zink pada permukaan plat zink menjadi kation, dan elektron yang dilepaskan daripada atom zink bergerak di sepanjang dawai ke plat kuprum. Oleh kerana arus elektrik mengalir ke arah yang bertentangan dengan elektron, plat kuprum menjadi anod dan plat zink menjadi katod. Jika plat zink digantikan dengan plat perak, larutan asid sulfurik digantikan dengan larutan natrium klorida, dan plat kuprum dan perak disambungkan oleh dawai, plat kuprum menjadi katod dan plat perak menjadi anod. Ini kerana kuprum mempunyai kecenderungan yang lebih tinggi untuk mengion berbanding perak. Oleh itu, dalam sel kimia, anod dan katod ditentukan oleh kecenderungan relatif kedua-dua logam untuk mengion.
Sel kimia bukan sekadar alat penyimpanan tenaga; ia juga dianggap sebagai kunci kepada penggunaan tenaga boleh diperbaharui yang cekap dan penyelesaian masalah tenaga masa hadapan. Contohnya, sel kimia berskala besar boleh digunakan untuk menyimpan elektrik yang dijana daripada sumber tenaga boleh diperbaharui seperti kuasa solar atau angin. Tidak seperti bateri sel kering kecil yang kita gunakan dalam kehidupan seharian kita, sel-sel ini mempunyai kapasiti untuk menyimpan dan membekalkan tenaga pada skala yang besar.
Kecenderungan pengionan logam boleh dibandingkan dengan magnitud haba tindak balas. Untuk memahami perkara ini, seseorang mesti mengetahui proses di mana satu atom dilepaskan daripada logam untuk menjadi ion terhidrat. Secara amnya, logam membentuk struktur kristal yang terdiri daripada banyak atom logam terikat. Logam terutamanya kehilangan elektron untuk menjadi kation, tetapi satu atom logam mesti dilepaskan daripada kristal untuk menjadi ion individu. Contohnya, dalam logam zink (Zn) yang direndam dalam larutan elektrolit, satu atom terpisah, dan atom zink ini kehilangan dua elektron untuk menjadi ion zink (Zn²⁺). Oleh kerana tindak balas ini memerlukan tenaga, logam zink menyerap haba semasa proses tersebut. Tindak balas kimia yang menyerap haba dengan cara ini dipanggil tindak balas endotermik. Ion zink kemudian terhidrat dalam larutan elektrolit. Dalam tindak balas ini, haba dibebaskan; tindak balas sedemikian dipanggil tindak balas eksotermik.
Dari segi kecenderungan pengionan logam, haba tindak balas ditentukan oleh jumlah haba yang diserap atau dibebaskan apabila tindak balas kimia berlaku pada suhu malar. Oleh itu, apabila membandingkan kecenderungan pengionan berdasarkan haba tindak balas, nilai-nilai tersebut dibandingkan dengan menjumlahkan haba daripada tindak balas endotermik dan haba daripada tindak balas eksotermik.
Entalpi tindak balas dilambangkan dengan tanda; secara amnya, haba yang dibebaskan semasa tindak balas eksotermik ditunjukkan sebagai nilai positif, manakala haba yang diserap semasa tindak balas endotermik ditunjukkan sebagai nilai negatif. Memandangkan tahap kecenderungan pengionan meningkat apabila nilai entalpi tindak balas meningkat, dapat dilihat bahawa tahap kecenderungan pengionan berkaitan dengan magnitud haba yang dibebaskan dalam tindak balas eksotermik dan magnitud haba yang diserap dalam tindak balas endotermik. Senarai unsur logam yang disenaraikan mengikut kecenderungan pengionannya dipanggil siri pengionan. Dengan memeriksa siri pengionan, mudah untuk menentukan logam mana yang akan berfungsi sebagai anod dan yang mana sebagai katod dalam sel kimia. Ini berfungsi sebagai kriteria penting dalam reka bentuk dan fabrikasi sel, dan pemilihan logam berdasarkan siri pengionan mempengaruhi prestasi dan kecekapan sel dengan ketara.
