- Dijelovi galvanske ćelije
- Funkcioniranje
- Reakcije oksidacije i redukcije
- Solni most
- Oksidacijski i redukcijski potencijali
- Simbolički prikaz galvanske ćelije
- Prijave
- Galvanska ćelija u svakodnevnom životu
- Izgradnja domaće galvanske ćelije
- materijali
- Postupak
- Reference
Galvanski članak ili galvanski stanica je vrsta elektrokemijske ćelije koji se sastoji od dva različita metala uronjene dvije polovične stanicama u kojima je spoj u otopini aktivira spontano.
Zatim se jedan od metala u jednoj od pola ćelije oksidira, dok se metal u drugoj polovici redukuje, stvarajući razmjenu elektrona kroz vanjski krug. To omogućuje iskorištavanje električne struje.
Slika 1. Shema i dijelovi galvanske ćelije. Izvor: corinto.pucp.edu.pe.
Naziv "galvanska stanica" u čast je jednog od pionira eksperimentiranja s električnom energijom: talijanskog liječnika i fiziologa Luigija Galvanija (1737-1798).
Galvani je 1780. otkrio da ako se kabeli različitih metala spoje na jednom kraju, a slobodni krajevi dovedu u kontakt s hrpom (mrtve) žabe, tada dolazi do kontrakcije.
Međutim, prvi koji je izgradio elektrokemijsku ćeliju za proizvodnju električne energije bio je i Talijan Alessandro Volta (1745-1827) 1800. godine, pa otuda i alternativni naziv voltaične ćelije.
Dijelovi galvanske ćelije
Dijelovi galvanske ćelije prikazani su na slici 1 i nalaze se kako slijedi:
1.- Anodna polusjela
2.- Anodna elektroda
3.- Anodna otopina
4.- katodna polusjenica
5.- Katoda elektroda
6.- Katodna otopina
7.- Slani most
8.- Metalni vodič
9.- Voltmetar
Funkcioniranje
Da bismo objasnili rad galvanske ćelije koristit ćemo donju:
Slika 2. Didaktički model galvanske ćelije. Izvor: slideserve.com
Temeljna ideja galvanske ćelije je da je metal koji prolazi oksidacijsku reakciju fizički odvojen od metala koji se reducira, na način da dolazi do razmjene elektrona preko vanjskog vodiča koji omogućava iskorištavanje protoka električne struje, na primjer da uključite žarulju ili led.
Na slici 2, u lijevoj polovici stanice nalazi se metalna bakrena (Cu) traka uronjena u otopinu bakrenog sulfata (CuS0 4), dok je u desnoj polovici ćelije uronjena cink (Zn) traka otopina cinkovog sulfata (ZnSO 4).
Valja napomenuti da je u svakoj polovici stanice svaki od njih prisutan u dva stanja oksidacije: neutralni atomi metala i metalni ioni soli istog metala u otopini.
Ako se metalne trake ne spoje vanjskom vodljivom žicom, oba se metala oksidiraju odvojeno u svojim ćelijama.
Međutim, budući da su električno povezani, događa se da će u Zn doći do oksidacije dok će u Cu biti reakcija redukcije. To je zato što je stupanj oksidacije cinka veći od bakra.
Oksidirajući metal daje elektrone metalu koji se smanjuje kroz vanjski vodič i taj protok struje može se iskoristiti.
Reakcije oksidacije i redukcije
Reakcija koja se događa na desnoj strani između elektrode cinkovog metala i vodene otopine cinkovog sulfata je sljedeća:
Zn o (s) + Zn 2+ (SO 4) 2- → 2 Zn 2+ (ac) + (SO 4) 2- + 2 e -
Cink atom (krutina) na površini anodne elektrode u desnoj polovici ćelije, potaknut pozitivnim ionima cinka u otopini, daje dva elektrona i oslobađa se iz elektrode, prelazeći u vodenu otopinu kao dvostruki pozitivni ion cinkov.
Svjesni smo da je neto rezultat toga da je neutralni cink atom iz metala, gubitkom dva elektrona, postao cink ion koji se dodaje u vodenu otopinu, tako da je cink štap izgubio jedan atom i otopina dobila pozitivan dvostruki ion.
Oslobođeni elektroni radije će se kretati vanjskom žicom prema metalu druge pozitivno nabijene pol ćelije (katoda +). Cink bar gubi masu jer njegovi atomi postupno prelaze u vodenu otopinu.
Oksidacija cinka može se sažeti na sljedeći način:
Zn o (s) → Zn 2+ (ac) + 2 e -
Reakcija koja se događa na lijevoj strani je slična, ali bakar u vodenoj otopini hvata dva elektrona (iz druge polovice ćelije) i taloži se na bakrenoj elektrodi. Kad atom pokupi elektrone kaže se da se smanjuju.
Reakcija redukcije bakra piše ovako:
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu o (s)
Bakrena šipka dobiva na masi, kako ioni otopine prolaze u šipku.
Oksidacija nastaje na anodi (negativna), koja odbija elektrone, dok se redukcija događa na katodi (pozitivnoj), koja privlači elektrone. Razmjena elektrona odvija se preko vanjskog vodiča.
Solni most
Solni most uravnotežuje naboje koji se nakupljaju u dvije polovice ćelija. Pozitivni ioni nakupljaju se u anodnoj polovici stanice, dok u katodnoj ćeliji ostaje višak negativnih sulfatnih iona.
Za solni most koristi se otopina soli (poput natrijevog klorida ili kalijevog klorida) koja ne intervenira u reakciji, koja se nalazi u obrnutoj cijevi u obliku slova U, a krajevi su pričvršćeni stijenkom poroznog materijala.
Jedina svrha solnog mosta je da se ioni filtriraju u svaku ćeliju, uravnotežujući ili neutralizirajući višak naboja. Na taj način stvara se strujni tok kroz solni most, kroz ione soli, koji zatvara električni krug.
Oksidacijski i redukcijski potencijali
Pod standardnim oksidacijskim i redukcijskim potencijalima podrazumijevaju se oni koji se javljaju na anodi i katodi pri temperaturi od 25 ° C i s otopinama koncentracije 1M (jedan molar).
Za cink je standardni potencijal oksidacije E ox = +0,76 V. Dok je standardni potencijal redukcije bakra E crveni = +0,34 V. Elektromotorna sila (emf) proizvedena ovom galvanskom ćelijom je: emf = +0,76 V + 0,34 V = 1,1 V.
Globalna reakcija galvanske ćelije može se napisati ovako:
Zn o (s) + Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu o (s)
Uzimajući u obzir sulfat, neto reakcija je:
Zn o (s) + Cu 2+ (SO 4) 2- 25ºC → Zn 2+ (SO 4) 2- + Cu o (s)
Sulfat je prolaznik, dok metali razmjenjuju elektrone.
Simbolički prikaz galvanske ćelije
Galvanska ćelija na slici 2 simbolično je prikazana kako slijedi:
Zn o (s) -Zn 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) (1M) -Cu o (s)
Prema dogovoru, metal koji oksidira i formira anodu (-) uvijek se stavlja s lijeve strane, a njen ion u vodenom stanju odvojen je šipkom (-). Anodna pola ćelija odvojena je od katodne dvije trake (-) koja predstavlja solni most. S desne strane je postavljena metalna polovica koja je reducirana i tvore katodu (+).
U simboličkom prikazu galvanske ćelije, krajnji lijevi je uvijek metal koji se oksidira, a metal koji se reducira stavlja u krajnju desnicu (u čvrstom stanju). Treba napomenuti da su na slici 2 polovice stanice u obrnutom položaju u odnosu na konvencionalni simbolički prikaz.
Prijave
Znajući standardne oksidacijske potencijale različitih metala, moguće je odrediti elektromotornu silu koju će stvoriti galvanska ćelija izgrađena s tim metalima.
U ovom ćemo dijelu primijeniti ono što je navedeno u prethodnim odjeljcima za izračun neto elektromotorne sile ćelije izgrađene od ostalih metala.
Kao primjer primjene smatramo galvansku ćeliju željeza (Fe) i bakra (Cu). Kao podaci daju se sljedeće reakcije redukcije i njihov standardni potencijal smanjenja, to jest pri 25 ° C i koncentraciji od 1M:
Fe 2+ (ac) + 2 e - → Fe (s). E1 mreža = -0,44 V
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu (s). E2 crvena = +0,34 V
Od njega se traži da pronađe neto elektromotorna sila proizvedena iz sljedeće galvanske ćelije:
Fe (s) -Fe 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) -Cu (s)
U ovoj ćeliji željezo oksidira i anoda je galvanske ćelije, dok se bakar smanjuje i jest katoda. Oksidacijski potencijal željeza jednak je ali suprotan njegovom redukcijskom potencijalu, to jest E1 oxd = +0,44.
Za dobivanje elektromotorne sile proizvedene ovom galvanskom ćelijom dodajemo oksidacijski potencijal željeza s redukcijskim potencijalom bakra:
emf = E1 oxd + E2 crvena = -E1 crvena + E2 crvena = 0,44 V + 0,34 V = 0,78 V
Galvanska ćelija u svakodnevnom životu
Galvanske ćelije za svakodnevnu upotrebu vrlo se razlikuju po obliku od onoga što se koristi kao didaktički model, ali njihov je princip djelovanja isti.
Najčešće korištena ćelija je alkalna baterija od 1,5 V u različitim prezentacijama. Ime dolazi jer je to skup ćelija povezanih u nizu da bi se povećao emf.
Litijeve punjive baterije također se temelje na istom principu rada kao i galvanske ćelije te se koriste u pametnim telefonima, satovima i drugim uređajima.
Na isti način, olovne baterije za automobile, motocikle i čamce su 12 V i temelje se na istom principu rada galvanske ćelije.
Galvanske stanice koriste se u estetici i u regeneraciji mišića. Postoje tretmani za lice koji se sastoje od nanošenja struje kroz dvije elektrode u obliku valjka ili sfere koji očiste i toniraju kožu.
Trenutni impulsi primjenjuju se i za regeneraciju mišića kod ljudi koji su u stanju prostake.
Izgradnja domaće galvanske ćelije
Postoji mnogo načina za izgradnju domaće galvanske ćelije. Jedna od najjednostavnijih je upotreba octa kao otopine, čeličnih čavala i bakrenih žica.
materijali
- Jednokratne plastične šalice
-Bijeli ocat
-Dva čelična vijka
-Dva komada gole bakrene žice (bez izolacije ili laka)
-Voltmetar
Postupak
-Popunite ¾ dijelova čaše s ocatom.
-Svrnite dva čelična vijka s nekoliko okretaja žice, ostavljajući komad žice odmotanim.
Nepokriveni kraj bakrene žice savijen je u obrnuti U oblik tako da se nasloni na obod čaše, a vijci su potopljeni u ocat.
Slika 3. Domaća galvanska ćelija i multimetar. Izvor: youtube.com
Još jedan komad bakrene žice savijen je u obrnutom U i obješen je na rubu čaše u položaju dijametralno suprotno uronjenim vijcima, tako da je jedan dio bakra unutar octa, a drugi dio bakrene žice izvana. čaše.
Slobodni krajevi vodova voltmetra spojeni su za mjerenje elektromotorne sile proizvedene u ovoj jednostavnoj ćeliji. Emfem ove vrste ćelija je 0,5 V. Za izjednačavanje emfaluma alkalne baterije potrebno je izgraditi još dvije stanice i spojiti tri u nizu, tako da se dobije 1,5V baterija
Reference
- Borneo, R. Galvanić i elektrolitičke stanice. Oporavilo od: classdequimica.blogspot.com
- Cedrón, J. Opća kemija. PUCP. Oporavak od: corinto.pucp.edu.pe
- Farrera, L. Uvod u elektrokemiju. Zavod za fizikohemiju UNAM. Oporavak od: depa.fquim.unam.mx.
- Wikipedia. Elektrokemijska stanica. Oporavak od: es.wikipedia.com.
- Wikipedia. Galvanska ćelija. Oporavak od: es.wikipedia.com.