Hoofdstuk 2: Elektrochemie

Elektrochemie is een deelgebied van de fysische chemie dat zich richt op de relatie tussen een elektrisch potentiaalverschil, dat een waarneembaar en kwantificeerbaar fenomeen is, en een herkenbare chemische verandering, waarbij het potentiaalverschil het gevolg is van een specifieke chemische verandering of omgekeerd. Dit studiegebied staat bekend als de "potentiaalverschil-reactie" relatie. Deze reacties omvatten de beweging van elektronen tussen elektroden die worden gescheiden door een ionisch geleidend en elektronisch isolerend elektrolyt. Meestal hebben deze reacties betrekking op een extern elektrisch circuit, maar in sommige gevallen, zoals elektroloze beplating, is een extern elektrisch circuit niet vereist (of ionische soorten in een oplossing).

Een elektrochemische reactie wordt aangeduid als een chemische reactie die wordt aangedreven door een elektrisch potentiaalverschil, zoals in het geval van elektrolyse, of een chemische reactie die resulteert in een elektrisch potentiaalverschil, zoals in het geval van een batterij of brandstofcel. Elektrochemische reacties onderscheiden zich van andere soorten chemische reacties doordat de overdracht van elektronen niet direct plaatsvindt tussen atomen, ionen of moleculen. In plaats daarvan vindt dit proces plaats binnen het eerder beschreven elektronisch geleidende circuit. De aanwezigheid van dit fenomeen is wat een elektrochemische reactie onderscheidt van een meer typische chemische reactie.

De zestiende eeuw zag het begin van het begrip van de mensheid van elektrische verschijnselen. William Gilbert, een Engelse wetenschapper, wijdde 17 jaar van zijn leven aan onderzoek in deze eeuw, voornamelijk gericht op magnetisme, maar ook tot op zekere hoogte met elektriciteit. Gilbert verdiende de titel van "Vader van het Magnetisme" als gevolg van zijn inspanningen op het gebied van magnetisme. Hij bedacht een aantal verschillende technieken voor het vervaardigen en verbeteren van magneten.

Tegen het midden van de 18e eeuw had de Franse chemicus Charles François de Cisternay du Fay twee soorten statische elektriciteit ontdekt, en dat tegengestelde ladingen elkaar aantrekken, terwijl vergelijkbare ladingen elkaar wegduwen.

Du Fay onthulde dat elektriciteit in zijn aankondiging uit twee stoffen bestond: "glasachtig" (van het Latijnse woord voor "glas"), of positief, elektriciteit; en "harsachtig", wat ook ongunstig betekent, elektriciteit.

Het tweefluïde model van elektriciteit verklaarde alles als volgt, het zou in de tweede helft van de eeuw worden weerlegd door Benjamin Franklin's hypothese van een enkele vloeistof.

Charles-Augustin de Coulomb ontwikkelde de wet van elektrostatische aantrekkingskracht in 1785 als een uitvloeisel van zijn poging om de wet van elektrische afstotingen te onderzoeken zoals verklaard door Joseph Priestley in Engeland. Dit was een uitvloeisel van zijn poging om de wet van elektrische afstotingen te onderzoeken, zoals joseph Priestley stelde.

Aan het einde van de 18e eeuw sloeg de Italiaanse arts en anatoom Luigi Galvani een brug tussen chemische reacties en elektriciteit in zijn essay "De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius" (Latijn voor commentaar op het effect van elektriciteit op spierbeweging) in 1791. In dit essay stelde hij het bestaan voor van een "zenuw-elektrische substantie" op biologische levensvormen. Deze gebeurtenis wordt beschouwd als de geboorte van de elektrochemie. Galvani weerlegde deze theorie door aan te tonen dat twee identieke stukken materiaal dezelfde spieractiviteit kunnen produceren. Volta's experimenten leidden hem ertoe de eerste praktische batterij te ontwikkelen, die gebruik maakte van de relatief hoge energie (zwakke binding) van zink en een elektrische stroom voor een veel langere periode kon leveren dan enig ander apparaat dat op dat moment bekend was. Desondanks leidden Volta's experimenten ertoe dat hij de eerste praktische batterij ontwikkelde.

Door het proces van elektrolyse en het gebruik van Volta's batterij, waren William Nicholson en Johann Wilhelm Ritter succesvol in het scheiden van waterstof en zuurstof uit water in het jaar 1800. Kort daarna deed Ritter de ontdekking die bekend zou worden als galvaniseren. Hij merkte ook op dat de afstand tussen de elektroden een effect had op de hoeveelheid metaal die werd afgezet tijdens een elektrolytisch proces en de hoeveelheid zuurstof die tijdens het proces werd gecreëerd.

William Hyde Wollaston had in de jaren 1810 al aanzienlijke vooruitgang geboekt in de galvanische cel. Het werk dat Sir Humphry Davy deed met elektrolyse bracht hem tot de conclusie dat de productie van elektriciteit in eenvoudige elektrolytische cellen het resultaat was van chemische werking en dat chemische combinatie optrad tussen stoffen die tegengestelde ladingen hadden. Tot deze conclusie kwam hij door zijn werk met elektrolyse. In 1808, als een direct gevolg van deze inspanning, werden metallisch natrium en kalium gescheiden van hun gesmolten zouten door elektrolyse, en de alkalische aardmetalen werden geëxtraheerd uit hun zouten.

Michael Faraday's onderzoek bracht hem ertoe om de twee principes van elektrochemie te formuleren die zijn naam dragen in het jaar 1832. In het jaar 1836 kwam John Daniell met het idee voor een primaire cel die het probleem van polarisatie zou aanpakken door koperionen in de oplossing te plaatsen dicht bij de positieve elektrode. Dit zou de vorming van waterstofgas voorkomen. Daniells uitvinding was succesvol. In latere bevindingen werd ontdekt dat samengevoegd zink, ook bekend als zink dat is gelegeerd met kwik, een grotere spanning zou creëren bij de tegenovergestelde elektrode.

In 1839 was William Grove de eerste persoon die een brandstofcel creëerde.

In 1846 was electrodynamometer een apparaat uitgevonden door Wilhelm Weber.

In 1868 patenteerde Georges Leclanché een nieuwe cel die uiteindelijk de voorloper werd van 's werelds eerste veelgebruikte batterij, een cel bestaande uit zink en koolstof.

Walther In het jaar 1888 was Hermann Nernst degene die met de theorie van de elektromotorische kracht van de voltaïsche cel kwam. In het jaar 1889 demonstreerde hij hoe de eigenschappen van de gecreëerde spanning konden worden gebruikt om de verandering in vrije energie te berekenen die werd veroorzaakt door het chemische proces dat de spanning produceerde. Hij ontwikkelde wat bekend werd als de Nernst-vergelijking, een vergelijking die de spanning van een cel verbond met de parameters van de cel.

De Electrochemical Society (ECS) werd opgericht in hetzelfde jaar, 1902. Harvey Fletcher wist in 1911 in samenwerking met Millikan met succes de lading op een elektron te meten. Dit werd bereikt door de waterdruppels die Millikan had gebruikt te vervangen door oliedruppels, die niet zo snel verdampten. Fletcher was in staat om de lading van een elektron tot op enkele decimalen in minder dan één dag te bepalen.

In de jaren 1960 en 1970 vestigden Revaz Dogonadze en zijn studenten een vakgebied dat bekend staat als kwantumelektrochemie.

In 2018, na tien jaar onderzoek naar elektrochemische optimalisatietechnieken, werd Essam Elsahwi de eerste persoon die met succes in-situ karakterisering uitvoerde van elektrochemische stacks met hoge industriële vermogensniveaus met behulp van de krachtige techniek van diëlektrische spectroscopie. Deze prestatie was het hoogtepunt van Elsahwi's inspanningen om de eerste persoon te worden die met succes in-situ karakterisering van elektrochemische stacks met hoge industriële vermogensniveaus uitvoerde.

De woorden "reductie-oxidatie" zijn waar de naam "redox" voor staat. Het is een term die verwijst naar de elektrochemische processen die de oxidatietoestand van een molecuul of ion veranderen door elektronen over te dragen van of naar het molecuul of ion. De introductie van een externe spanning of het vrijkomen van chemische energie kan ervoor zorgen dat deze reactie plaatsvindt. Beide methoden zijn mogelijk. Oxidatie en reductie zijn termen die worden gebruikt om het proces te beschrijven van het veranderen van de oxidatietoestand van atomen, ionen of moleculen die betrokken zijn bij een elektrochemische reactie. In de strikte zin van het woord is de oxidatietoestand van een atoom de hypothetische lading die het zou hebben als al zijn verbindingen met andere atomen van andere elementen volledig ionisch waren. Wanneer een atoom of ion een elektron aan een ander transplantaat doneert, veranderen beide oxidatietoestanden: het donoratoom of ion wordt sterker geoxideerd, terwijl de oxidatietoestand van het ontvangende atoom of ion minder sterk geoxideerd wordt.

In de reactie tussen atomair natrium en atomair chloor geeft natrium bijvoorbeeld één elektron op, waardoor natrium een oxidatietoestand van plus één bereikt. Na ontvangst van het elektron wordt de oxidatietoestand van chloor verlaagd tot een waarde van min één. In feite komt het teken van de oxidatietoestand, die positief of negatief kan zijn, overeen met de grootte van de elektronische lading die door elk ion wordt gedragen. Omdat natrium- en chloorionen tegengestelde ladingen hebben, worden ze tot elkaar aangetrokken, wat leidt tot de vorming van een ionische binding.

Oxidatie is het proces waarbij elektronen uit een atoom of molecuul worden verwijderd, terwijl reductie het proces is waarbij elektronen worden toegevoegd. Het gebruik van ezelsbruggetjes maakt het mogelijk om deze informatie moeiteloos op te roepen. Het acroniem "OIL RIG" (wat staat voor "Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain") en "LEO" de leeuw die "GER" zegt, zijn twee van de meest voorkomende (Lose Electrons: Oxidation, Gain Electrons: Reduction). De chemische reacties van oxidatie en reductie vinden altijd in paren plaats, waarbij de ene soort wordt geoxideerd...