הבדלים בין גרסאות בדף "תא אלקטרוכימי"

מ
הגהה
(←‏הסבר התופעה: הערה חשובה)
מ (הגהה)
'''תא אלקטרוכימי''' (מכונה גם '''תא חשמלי''' ו'''תא גלווני''') הוא מתקן [[כימיה|כימי]] פשוט, היוצר זרם חשמלי בין שני חלקיו (חצאי-התא), בשל הפרש ה[[פוטנציאל כימי|פוטנציאל הכימי]] ביניהם. הפרש זה מכונה מתח התא, או פוטנציאל התא, ולעתים כוח אלקטרומניע (כא"מ, ובאנגלית electromotive force). בכל אחד מחצאי-התא מתרחשת מחצית אחת של [[תגובה כימית|התגובה הכימית]] הכוללת בתא. זוהי תגובה מסוג "חמזור" ([[חמצון]]-[[חיזור]]) – בחצי הנקרא [[אלקטרודה|אנודה]] מתרחש חמצון, ובחצי המכונה [[אלקטרודה|קתודה]] מתרחש חיזור.
תגובות חמזור כרוכות בהעברת [[אלקטרונים]] מהמחזר למחמצן: תא גלווני מפריד בין השניים, והאלקטרונים זורמים לכן מהאנודה אל הקתודה, ויוצרים [[זרם חשמלי]].
 
==מבנה התא==
===אלקטרודות===
 
===גשר מלח===
תוספת הקטיונים לתמיסה באנודה, וגריעת הקטיונים מהתמיסה בקתודה, יביאו – תוך שניות מספר מחיבור האלקטרודות זו לזו – לעצירת הזרם. זאת משום שבכל אחת מהתמיסות ייווצרו [[מטען חשמלי]] ו[[שדה חשמלי]] שכוחם על הקטיונים גדול מהפוטנציאל החשמלי בתא. כדי לפתור בעיה זו, ולאפשר את איזון המטענים בשתי התמיסות, מחברים אותן בגשר מלח – מתקן המחזיק [[מלח (כימיה)|מלח]] מסיס (KNO3 הוא בחירה שגרתית) ומשחרר אניונים לאנודה וקטיונים לקתודה (לא ייתכן מצב שבתמיסה המטען הכולל של היונים החיוביים יהיה גדול יותר מהשליליים או להיפךלהפך). לרוב, משמשת צינורית זכוכית שצורתה U וקצותיה נקבוביים כגשר מלח: היונים עוברים דרך הנקבים, ללא זליגה חופשית של התמיסה. [[נייר סינון]] ספוג בתמיסת המלח, או תמיסה ג'לית (מבוססת [[אגר]]) של המלח יבצעו את אותה פעולה. אפשרות מסובכת יותר היא הפרדת שני חצאי התא במחיצה נקבובית.
 
===מבנים אחרים===
כאשר אין בין מרכיבי חצי התא מתכת, ישמש כאלקטרודה מוט עשוי מתכת אדישה (אינרטית) כגון [[פלטינה]]. במקרים בהם המומסים בתא הם מחזרים חזקים מיוני פלטינה (שהפוטנציאל שלהם 1.2V+), עלולה הפלטינה להתחמצן, ואז מחליפים אותה במוט גרפיט, טבול בתוך תמיסת חצי התא. מערכות מסוימות מכילות [[גז]]ים, המבעבעים לתוך תמיסת חצי התא סביב האלקטרודה.
==תא תקני==
מדידת פוטנציאלים מוחלטים, להבדיל ממדידת ההפרש ביניהם (המתח) היא משימה קשה. כדי לאפשר השוואה בין פוטנציאלי חצאי תא שונים, נעשה תיקנון (סטנדרטיזציה) של חצאי התא השונים: תא תקני הוא תא ש[[אקטיביות]] המומסים בו היא 1 (בקירוב 1M), לחץ הגזים בו 1bar (בקירוב אטמוספירה אחת), והטמפרטורה שלו היא 25 מעלות צלזיוס (טמפרטורת החדר).
 
===תא מימן===
כבתחומי ידע אחרים, נקבעה גם כאן נקודת ייחוס – חצי תא שהפוטנציאל שלו יחשב 0, ופוטנציאלי חצאי התא האחרים ימדדו ביחס אליו. זוהי אלקטרודת המימן התקנית (באנגלית SHE, Standard Hydrogen Electrode): מוט פלטינה שרוי בתמיסת יוני מימן, <sup>+</sup>H, בריכוז 1M בקירוב, וגז מימן מבעבע סביבו בלחץ של 1bar (התגובה המתרחשת בתא זה היא: קטיונים של מימן מקבלים אלקטרון ונהפכים לגז מימן). פוטנציאל תקני של חצי תא הוא לפיכך מתח התא המתקבל בחיבור חצי התא התקני לחצי תא מימן תקני, כפי שמוסבר להלן.
 
===פוטנציאלים תקניים===
הפוטנציאלים התקניים של חצאי התא הוגדרו כפוטנציאל של חצאי התא לעבור חיזור (לקבל אלקטרונים ואי לכך להיות חצי תא מחמצן). לדוגמה, פוטנציאל חצי התא המכיל את המתכת M עבורה נוסחה תגובה (1), הוא הפוטנציאל של תא זה לעבור את התגובה (1) משמאל לימין. הפוטנציאל התקני של התא, המסומן ב- E<sub>o</sub>, מוגדר לפיכך:
<div style="direction: ltr;">
E<sub>0</sub>(תא)=E<sub>0</sub>(קתודה)-E<sub>0</sub>(אנודה)
</div>
 
===כיוון זרימת האלקטרונים===
אם מתח התא המתקבל חיובי (E<sub>0</sub>>0), יזרמו האלקטרונים כמצופה מהאנודה לקתודה. אם מתח התא המתקבל שלילי (E<sub>0</sub><0), הרי שהאלקטרודות הוגדרו במהופך: בזו שהוגדרה אנודה יתרחש חיזור, ובחברתה חימצוןחמצון. כלומר, חצי התא שהפוטנציאל שלו לעבור חיזור גדול יותר, יהיה הקתודה בה מתרחש החיזור, והאלקטרונים יזרמו אליו מהאנודה, בעלת פוטנציאל החיזור הנמוך יותר, בה יתרחש החימצוןהחמצון.
 
==דוגמה לתא אלקטרוכימי==
 
[[תמונה:ta_electrohaimi4.jpg|ממוזער|250px|סכימה של תא אלקטרוכימי המורכב מחצי תא ברזל ומחצי תא מגנזיום]]
ניקח חצי תא שבו ישנה [[אלקטרודה|אלקטרודת]] [[ברזל]] הטבולה בתמיסה המכילה יוני ברזל, וחצי תא שבו ישנה אלקטרודת [[מגנזיום]] הטבולה בתמיסה המכילה יוני מגנזיום. בשני חצאי התא החשמלי מתרחשת תגובת [[שיווי משקל כימי|שיווי משקל]] שבה המתכת המוצקה הופכת ליונים טעונים שלה ולהיפךולהפך. כעת נחבר לתא [[נורה]] (או כל מכשיר חשמלי אחר) כאשר קצוות החוטים שיוצאים ממנה נוגעים באלקטרודות. נחבר לתא גם את גשר המלח הטבול בתמיסה מימית המכילה יונים שאינם מצויים באף אחד מחצאי התאים. הנורה תידלק ואט אט תיחלש עוצמת ההארה שלה.
 
===הסבר התופעה===
לפיכך, בחצי תא הברזל יקטן ריכוז יוני הברזל (ירידה בריכוז הקטיונים) ואילו בחצי תא המגנזיום יגדל מספר יוני המגנזיום (ויקטן ריכוז האניונים). לכן, קטיונים מגשר המלח יזרמו לעבר תא הברזל ואניונים מגשר המלח יזרמו לעבר תא המגנזיום (קטיונים לקתודה ואניונים לאנודה).
 
מהלך הזרם הוא כדלקמן: האלקטרונים שנוצרו כתוצאה מפירוק אלקטרודת המגנזיום נעים על [[מוליכות חשמלית|המוליך]] המתכתי שמחבר בין שני חצאי התאים לעבר הנורה ומשם לאלקטרודת הברזל. הברזל המוצק נטען באלקטרונים העוברים ליונים בעלי המטען החיובי של הברזל. כך הם נהפכים לברזל [[מוצק]] שמצפה את אלקטדורתאלקטרודת הברזל ומוסיף ל[[מסה|מסתה]]. קטיונים עוברים מגשר המלח לחצי תא הברזל ואניונים לחצי תא המגנזיום. הולכת הזרם מתאפשרת, אם כן, הודות לקיומו של גשר המלח, המספק יונים ניידים.
 
תא אלקטרוכימי תקני הוא תא שכל אחד מחצאי התאים שלו תקני. הכוונה שה[[טמפרטורה]] של מערכת הניסוי תהיה טמפרטורת החדר, 25 מעלות צלזיוס, שכל הגזים המעורבים בתגובה יהיו בלחץ של [[אטמוספירה]] אחת ושריכוז היונים בכל אחת מהתמיסות הוא [[ריכוז מולרי|מולר]] אחד- 1M ([[מול]] יונים ל[[ליטר]] [[מים]]). עם ההתקדמות עד לקבלת שיווי משקל יירד מתח התא עד שהנורה תכבה. במצב זה נוצר שוויון פוטנציאלים שנדון במסגרת ה[[אלקטרוכימיה]]. פוטנציאל החיזור של חצי תא ברזל תקני ((Fe(s)|Fe<sup>2+</sup>(aq) הוא 0.45- [[וולט]] ואילו פוטנציאל החיזור של חצי תא מגנזיום הוא 2.37-. אם נחסר את הערך הגבוה מן הערך הנמוך נקבל את המתח הראשוני של התא: 1.92 וולט.
אם נחבר חצי תא מימן לחצי תא מגנזיום מתח התא יהיה 2.37 וולט כאשר האלקטרונים נעים לכיוון חצי תא המימן, כלומר הוא יהווה את חצי התא האנודי, ומכאן הסימן השלילי.
 
באופן כללי, לחצאי תאים של [[אל-מתכות]] פוטנציאל חיזור גבוה יותר מאלה של המתכות (האל מתכות הם מחמצנים טובים יותר, לעומת המתכות שנוטות לוותר על האקטרונים שלהם ולעבור תהליך חימצוןחמצון).
 
[[תמונה:ta_electrohaimi2.jpg|ממוזער|250px|טבלה של פוטנציאלי חיזור של חצאי תאים שונים בטמפרטורת החדר]]
==מידע נוסף==
 
כמו בכל תגובה המתבססת על שיווי משקל כימי, גם לתא האלטרוכימי ניתן להפריע ולחזות את התוצאות. לפי [[עקרון לה שטליה]], כל פעולה שנבצע תגרום לתגובה הפוכה של המערכת. את פוטנציאל החיזור של כל חצי תא יש לראות כתוצר. אם נוסיף למשל לחצי תא הברזל מלח המכיל ברזל, אז הגדלנו את [[ריכוז (כימיה)|ריכוז]] המגיב (יוני הברזל) ולכן המערכת תפעל להורדתו. כך יעלה הפוטנציאל של חצי תא הברזל ונוכל לקבל מתח גדול יותר. באותו אופן, אם [[מהילה|נמהול]] את התמיסה של חצי תא המגנזיום, אז המערכת תפעל כדי להעלות את הריכוז וכך פוטנציאל החיזור של חצי תא המגנזיום ייקטןיקטן. שוב, נוכל לקבל זרם התחלתי גבוה יותר כעת שאחד מחצאי התאים אינו תקני.
 
הוספה או החלפה של אלקטרודה כלשהי באלקטרודה אחרת קטנה או גדולה יותר, לא יצור שינוי במערכת. כמות האטומים המוצקים גדולה בהרבה מכמות היונים בתמיסה בכל חצי תא, ולכן שינוי במסת האלקטרודה, גדול ככל שיהיה לא יגרור תגובה. (הדבר דומה ללקיחת או לנתינת שקל למיליונר).