V tej objavi na blogu bomo na preprost način razložili načelo, kako kemične celice proizvajajo elektriko, in kako nagnjenost kovine k ionizaciji določa anodo in katodo.
Kemična celica je naprava, ki s kemičnimi reakcijami proizvaja elektriko; baterije, ki jih uporabljamo v vsakdanjem življenju, so vrsta kemične celice. Obstajajo različne vrste baterij, odvisno od njihove velikosti in oblike, in se pogosto uporabljajo na številnih področjih, vključno z gospodinjskimi, industrijskimi in medicinskimi aplikacijami. Te baterije vsebujejo specifične kemikalije, ki ustvarjajo električni tok. Kemične baterije uporabljajo različne materiale in elektrolite za dobavo električne energije, te komponente pa pomembno vplivajo na delovanje in življenjsko dobo baterije. Pri uporabi baterije morata biti pozitivni in negativni pol pravilno priključena. To je neposredno povezano z učinkovitostjo in varnostjo baterije; če je baterija nepravilno priključena, morda ne bo delovala pravilno ali pa se lahko celo poškoduje. To je zato, ker je v kemični bateriji stran, kjer pride do redukcije – pridobivanja elektronov – pozitivni pol, medtem ko je stran, kjer pride do oksidacije – izgube elektronov – negativni pol, elektroni pa se premikajo z negativnega na pozitivni pol.
Anodo in katodo kemične baterije določata ionizacijski trend kovin, ki sestavljajo elektrode. Ionizacijski trend se nanaša na lahkotnost, s katero kovina izgublja elektrone in postane kation v raztopini. To je ključni dejavnik, ki določa delovanje baterije in ima velik vpliv na njeno učinkovitost in življenjsko dobo. Zato se kovine z visokim ionizacijskim trendom zlahka raztopijo v elektrolitni raztopini, ki dobro prevaja elektriko, pri čemer tvorijo katione. Če bakrene in cinkove plošče damo v razredčeno raztopino žveplove kisline (H₂SO₄), da služijo kot elektrode, nastane kemična celica. Ker ima cink večji ionizacijski trend kot baker, atomi cinka na površini cinkove plošče postanejo kationi, elektroni, ki se sprostijo iz atomov cinka, pa potujejo po žici do bakrene plošče. Ker električni tok teče v nasprotni smeri elektronov, bakrena plošča postane anoda, cinkova plošča pa katoda. Če cinkovo ploščo nadomestimo s srebrno ploščo, raztopino žveplove kisline nadomestimo z raztopino natrijevega klorida, bakreno in srebrno ploščo pa povežemo z žico, bakrena plošča postane katoda, srebrna plošča pa anoda. To je zato, ker ima baker večjo nagnjenost k ionizaciji kot srebro. Tako sta v kemični celici anoda in katoda določeni z relativno nagnjenostjo obeh kovin k ionizaciji.
Kemijske celice niso zgolj sredstvo za shranjevanje energije; veljajo tudi za ključ do učinkovite uporabe obnovljivih virov energije in reševanja prihodnjih energetskih problemov. Velike kemične celice se lahko na primer uporabljajo za shranjevanje električne energije, proizvedene iz obnovljivih virov energije, kot sta sončna ali vetrna energija. Za razliko od majhnih suhoceličnih baterij, ki jih uporabljamo v vsakdanjem življenju, imajo te celice zmogljivost shranjevanja in oskrbe z energijo v velikem obsegu.
Ionizacijsko tendenco kovin lahko primerjamo z velikostjo reakcijske toplote. Da bi to razumeli, moramo poznati proces, pri katerem se iz kovine sprosti en sam atom in postane hidriran ion. Na splošno kovine tvorijo kristalne strukture, sestavljene iz številnih vezanih kovinskih atomov. Kovine v prvi vrsti izgubijo elektrone, da postanejo kationi, vendar se mora iz kristala sprostiti en sam kovinski atom, da postane posamezen ion. Na primer, v kovinskem cinku (Zn), potopljenem v raztopino elektrolita, se en sam atom odcepi in ta atom cinka izgubi dva elektrona, da postane cinkov ion (Zn²⁺). Ker ta reakcija zahteva energijo, kovinski cink med procesom absorbira toploto. Kemijska reakcija, ki na ta način absorbira toploto, se imenuje endotermna reakcija. Cinkov ion se nato hidrira v raztopini elektrolita. Pri tej reakciji se sprosti toplota; takšna reakcija se imenuje eksotermna reakcija.
Kar zadeva ionizacijsko tendenco kovin, je reakcijska toplota določena s količino toplote, ki se absorbira ali sprosti, ko se kemijska reakcija pojavi pri konstantni temperaturi. Zato se pri primerjavi ionizacijskih tendenc na podlagi reakcijske toplote vrednosti primerjajo tako, da se sešteje toplota endotermnih reakcij in toplota eksotermnih reakcij.
Reakcijske entalpije so označene z znaki; toplota, sproščena med eksotermno reakcijo, je običajno označena kot pozitivna vrednost, toplota, absorbirana med endotermno reakcijo, pa kot negativna vrednost. Ker se stopnja ionizacijske tendence povečuje z naraščajočo vrednostjo reakcijske entalpije, je razvidno, da je stopnja ionizacijske tendence povezana z velikostjo toplote, sproščene pri eksotermnih reakcijah, in velikostjo toplote, absorbirane pri endotermnih reakcijah. Seznam kovinskih elementov, razvrščenih po njihovih ionizacijskih tendencah, se imenuje ionizacijska serija. S preučevanjem ionizacijske serije je enostavno določiti, katere kovine bodo služile kot anoda in katere kot katoda v kemični celici. To je pomembno merilo pri načrtovanju in izdelavi celic, izbira kovin na podlagi ionizacijske serije pa pomembno vpliva na delovanje in učinkovitost celice.
