I dette blogginnlegget skal vi enkelt forklare prinsippet bak hvordan kjemiske celler genererer elektrisitet og hvordan et metalls ioniseringstendens bestemmer anoden og katoden.
En kjemisk celle er en enhet som genererer elektrisitet gjennom kjemiske reaksjoner. Batteriene vi bruker i hverdagen er en type kjemisk celle. Det finnes ulike typer batterier avhengig av størrelse og form, og de er mye brukt på mange felt, inkludert husholdnings-, industrielle og medisinske applikasjoner. Disse batteriene inneholder spesifikke kjemikalier inni som genererer elektrisk strøm. Kjemiske batterier bruker ulike materialer og elektrolytter for å levere strøm, og disse komponentene påvirker batteriets ytelse og levetid betydelig. Når du bruker et batteri, må de positive og negative terminalene kobles riktig. Dette er direkte relatert til batteriets effektivitet og sikkerhet. Hvis det kobles feil, kan det hende at batteriet ikke fungerer som det skal, eller det kan til og med bli skadet. Dette er fordi siden der reduksjon skjer – som får elektroner – i et kjemisk batteri er den positive terminalen, mens siden der oksidasjon skjer – som mister elektroner – er den negative terminalen, og elektroner beveger seg fra den negative terminalen til den positive terminalen.
Anoden og katoden i et kjemisk batteri bestemmes av ioniseringstendensen til metallene som utgjør elektrodene. Ioniseringstendens refererer til hvor lett et metall mister elektroner og blir et kation i en løsning. Dette er en kritisk faktor som bestemmer batteriets ytelse og har stor innvirkning på dets effektivitet og levetid. Derfor løser metaller med høy ioniseringstendens seg lett opp i en elektrolyttløsning som leder strøm godt, og danner kationer. Hvis kobber- og sinkplater plasseres i en fortynnet svovelsyreløsning (H₂SO₄) for å fungere som elektroder, dannes en kjemisk celle. Siden sink har en høyere ioniseringstendens enn kobber, blir sinkatomene på overflaten av sinkplaten kationer, og elektronene som frigjøres fra sinkatomene beveger seg langs ledningen til kobberplaten. Fordi elektrisk strøm flyter i motsatt retning av elektronene, blir kobberplaten anoden og sinkplaten katoden. Hvis sinkplaten erstattes med en sølvplate, erstattes svovelsyreløsningen med en natriumkloridløsning, og kobber- og sølvplatene kobles sammen med en ledning, kobberplaten blir katoden og sølvplaten blir anoden. Dette er fordi kobber har en høyere tendens til å ionisere enn sølv. I en kjemisk celle bestemmes derfor anoden og katoden av de to metallenes relative tendenser til å ionisere.
Kjemiske celler er ikke bare et middel for å lagre energi; de anses også som en nøkkel til effektiv utnyttelse av fornybar energi og løsningen på fremtidige energiproblemer. For eksempel kan storskala kjemiske celler brukes til å lagre elektrisitet generert fra fornybare energikilder som sol- eller vindkraft. I motsetning til de små tørrcellebatteriene vi bruker i hverdagen, har disse cellene kapasitet til å lagre og levere energi i stor skala.
Metallers ioniseringstendens kan sammenlignes med størrelsen på reaksjonsvarmen. For å forstå dette må man kjenne til prosessen der et enkelt atom frigjøres fra et metall for å bli et hydrert ion. Vanligvis danner metaller krystallinske strukturer som består av mange bundne metallatomer. Metaller mister primært elektroner for å bli kationer, men et enkelt metallatom må frigjøres fra krystallen for å bli et individuelt ion. For eksempel, i sinkmetall (Zn) nedsenket i en elektrolyttløsning, brytes et enkelt atom av, og dette sinkatomet mister to elektroner for å bli et sinkion (Zn²⁺). Siden denne reaksjonen krever energi, absorberer sinkmetallet varme under prosessen. En kjemisk reaksjon som absorberer varme på denne måten kalles en endoterm reaksjon. Sinkionet hydreres deretter i elektrolyttløsningen. I denne reaksjonen frigjøres varme; en slik reaksjon kalles en eksoterm reaksjon.
Når det gjelder ioniseringstendensen til metaller, bestemmes reaksjonsvarmen av mengden varme som absorberes eller frigjøres når en kjemisk reaksjon skjer ved konstant temperatur. Når man sammenligner ioniseringstendenser basert på reaksjonsvarmen, sammenlignes derfor verdiene ved å summere varmen fra endoterme reaksjoner og varmen fra eksoterme reaksjoner.
Reaksjonsentalpier er betegnet med fortegn; generelt er varmen som frigjøres under en eksoterm reaksjon angitt som en positiv verdi, mens varmen som absorberes under en endoterm reaksjon er angitt som en negativ verdi. Siden graden av ioniseringstendens øker når verdien av reaksjonsentalpien øker, kan man se at graden av ioniseringstendens er relatert til størrelsen på varmen som frigjøres i eksoterme reaksjoner og størrelsen på varmen som absorberes i endoterme reaksjoner. Listen over metalliske elementer rangert etter deres ioniseringstendenser kalles ioniseringsserien. Ved å undersøke ioniseringsserien er det enkelt å bestemme hvilke metaller som skal tjene som anode og hvilke som katode i en kjemisk celle. Dette fungerer som et viktig kriterium i design og fabrikasjon av celler, og valg av metaller basert på ioniseringsserien påvirker cellens ytelse og effektivitet betydelig.
