Tóm tắt

Phản ứng oxy hóa khử được xác định bởi những thay đổi trong số oxi hóa chất phản ứng, và những phản ứng liên quan nhất đến điện hóa liên quan đến sự chuyển điện tử thực tế. Các quá trình oxy hóa khử pha nước thường liên quan đến nước hoặc các ion đặc trưng của nó, H ⁺ và ^{OH -}, là chất phản ứng ngoài chất oxy hóa và chất khử, và các phương trình biểu diễn các phản ứng này có thể khó cân bằng. Phương pháp nửa phản ứng là một cách tiếp cận có hệ thống để cân bằng các phương trình như vậy liên quan đến việc xử lý riêng biệt các nửa phản ứng oxy hóa và khử.

Tế bào Galvanic là thiết bị trong đó phản ứng oxy hóa khử tự phát xảy ra gián tiếp, với các cặp oxy hóa khử và chất oxy hóa khử chứa trong các nửa tế bào riêng biệt. Các electron được chuyển từ chất khử (trong nửa tế bào cực dương) sang chất oxy hóa (trong nửa tế bào catốt) thông qua một mạch ngoài, và các ion pha dung dịch trơ được chuyển giữa các nửa tế bào, thông qua cầu muối, để duy trì tính trung lập điện tích. Cấu tạo và thành phần của một tế bào điện có thể được biểu diễn ngắn gọn bằng cách sử dụng các công thức hóa học và các ký hiệu khác dưới dạng sơ đồ tế bào (ký hiệu tế bào).

Tính chất của thế năng, E, là năng lượng liên quan đến sự phân tách/chuyển điện tích. Trong điện hóa học, điện thế của tế bào và nửa tế bào là đại lượng nhiệt động lực học phản ánh động lực hoặc tính tự phát của các quá trình oxy hóa khử của chúng. Điện thế tế bào của một tế bào điện hóa là sự khác biệt giữa cực âm và cực dương của nó. Để cho phép dễ dàng chia sẻ dữ liệu tiềm năng nửa tế bào, điện cực hydro tiêu chuẩn (SHE) được gán điện thế chính xác là 0 V và được sử dụng để xác định điện thế điện cực duy nhất cho bất kỳ nửa tế bào nhất định nào. Điện thế điện cực của một nửa tế bào, E _X, là điện thế tế bào của nửa tế bào nói trên hoạt động như một cực âm khi được kết nối với SHE hoạt động như một cực dương. _{Khi nửa tế bào hoạt động trong điều kiện trạng thái tiêu chuẩn, tiềm năng của nó là điện thế tiêu chuẩn, E° X. Điện thế điện cực tiêu chuẩn phản ánh cường độ oxy hóa tương đối của chất phản ứng nửa phản ứng, với các chất oxy hóa mạnh hơn thể hiện giá trị E° X lớn hơn (dương hơn). Các bảng của điện thế điện cực tiêu chuẩn có thể được sử dụng để tính toán điện thế tế bào tiêu chuẩn, tế bào E °, cho nhiều phản ứng oxy hóa khử.} Dấu hiệu số học của điện thế tế bào biểu thị tính tự phát của phản ứng tế bào, với các giá trị dương cho các phản ứng tự phát và giá trị âm cho các phản ứng không tự phát (tự phát theo hướng ngược lại).

Tiềm năng là một đại lượng nhiệt động lực học phản ánh động lực nội tại của một quá trình oxy hóa khử, và nó liên quan trực tiếp đến sự thay đổi năng lượng tự do và hằng số cân bằng cho quá trình này. Đối với các quá trình oxy hóa khử diễn ra trong các tế bào điện hóa, công tối đa (điện) do hệ thống thực hiện được tính toán dễ dàng từ điện thế tế bào và phép đo phân vị phản ứng và bằng với sự thay đổi năng lượng tự do cho quá trình này. Hằng số cân bằng cho phản ứng oxi hóa khử có liên quan logarit với thế năng tế bào của phản ứng, với điện thế lớn hơn (dương hơn) cho thấy các phản ứng có động lực lớn hơn cân bằng khi phản ứng đã tiến xa đến hoàn thành (giá trị lớn của K). Cuối cùng, thế năng của một quá trình oxi hóa khử thay đổi theo thành phần của hỗn hợp phản ứng, có liên quan đến thế tiêu chuẩn của phản ứng và giá trị của thương số phản ứng của nó, Q, như được mô tả bởi phương trình Nernst.

Các tế bào điện được thiết kế đặc biệt để hoạt động như nguồn cung cấp năng lượng điện được gọi là pin. Nhiều loại pin sử dụng một lần (pin sơ cấp) và pin sạc (tế bào thứ cấp) đều có sẵn trên thị trường để phục vụ nhiều ứng dụng khác nhau, với các thông số kỹ thuật quan trọng bao gồm điện áp, kích thước và tuổi thọ. Pin nhiên liệu, đôi khi được gọi là pin dòng chảy, là thiết bị khai thác năng lượng của các phản ứng oxy hóa khử tự phát thường liên quan đến quá trình đốt cháy. Giống như pin, pin nhiên liệu cho phép truyền điện tử của phản ứng thông qua một mạch bên ngoài, nhưng chúng yêu cầu đầu vào liên tục của các chất phản ứng oxy hóa khử (nhiên liệu và chất oxy hóa) từ một bể chứa bên ngoài. Pin nhiên liệu thường hiệu quả hơn nhiều trong việc chuyển đổi năng lượng được giải phóng bởi phản ứng thành công việc hữu ích so với động cơ đốt trong.

Quá trình oxy hóa tự phát của kim loại bằng các quá trình điện hóa tự nhiên được gọi là ăn mòn, các ví dụ quen thuộc bao gồm sự rỉ sét của sắt và sự xỉn màu của bạc. Quá trình ăn mòn liên quan đến việc tạo ra một tế bào điện trong đó các vị trí khác nhau trên vật kim loại có chức năng như cực dương và cực âm, với sự ăn mòn diễn ra tại vị trí anốt. Các phương pháp tiếp cận để ngăn chặn sự ăn mòn kim loại bao gồm sử dụng lớp phủ bảo vệ kẽm (mạ điện) và sử dụng cực dương hy sinh kết nối với vật kim loại (bảo vệ catốt).

Các quá trình oxy hóa khử không tự phát có thể bị buộc phải xảy ra trong các tế bào điện hóa bằng cách sử dụng một điện thế thích hợp bằng cách sử dụng nguồn điện bên ngoài — một quá trình được gọi là điện phân. Điện phân là cơ sở cho các quá trình tinh chế quặng nhất định, sản xuất công nghiệp của nhiều mặt hàng hóa chất và mạ điện lớp phủ kim loại trên các sản phẩm khác nhau. Đo lưu lượng dòng điện trong quá trình điện phân cho phép tính toán phân vị.