- Części ogniwa galwanicznego
- Funkcjonowanie
- Reakcje utleniania i redukcji
- Solny most
- Potencjał utleniania i redukcji
- Symboliczne przedstawienie ogniwa galwanicznego
- Aplikacje
- Ogniwo galwaniczne w życiu codziennym
- Budowa domowego ogniwa galwanicznego
- materiały
- Proces
- Bibliografia
Galwaniczne komórki lub komórek fotowoltaicznych jest typem komórki elektrochemicznej, który składa się z dwóch różnych metali zanurzonych w dwóch połówek w komórkach, w których związek w roztworze aktywuje spontanicznej reakcji.
Następnie jeden z metali w jednej z półogniw jest utleniany, podczas gdy metal w drugiej połowie jest redukowany, powodując wymianę elektronów przez obwód zewnętrzny. Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie prądu elektrycznego.
Rysunek 1. Schemat i części ogniwa galwanicznego. Źródło: corinto.pucp.edu.pe.
Nazwa „ogniwo galwaniczne” pochodzi od jednego z pionierów eksperymentowania z elektrycznością: włoskiego lekarza i fizjologa Luigiego Galvaniego (1737-1798).
Galvani odkrył w 1780 roku, że jeśli kable z różnych metali zostały połączone na jednym końcu, a wolne końce zostałyby zetknięte z udźcem (martwej) żaby, nastąpił skurcz.
Jednak pierwszym, który zbudował ogniwo elektrochemiczne do produkcji energii elektrycznej, był Włoch Alessandro Volta (1745-1827) w 1800 roku, stąd alternatywna nazwa ogniwa galwanicznego.
Części ogniwa galwanicznego
Części ogniwa galwanicznego pokazano na rysunku 1 i wyglądają następująco:
1.- Półogniwo anodowe
2.- Elektroda anodowa
3.- Roztwór anodowy
4.- Półkomórka katody
5.- Elektroda katodowa
6.- Roztwór katodowy
7.- Most solankowy
8.- Przewodnik metalowy
9.- Woltomierz
Funkcjonowanie
Aby wyjaśnić działanie ogniwa galwanicznego posłużymy się dolnym:
Rysunek 2. Model dydaktyczny ogniwa galwanicznego. Źródło: slideserve.com
Podstawową ideą ogniwa galwanicznego jest to, że metal, który ulega reakcji utleniania, jest fizycznie oddzielany od metalu, który jest redukowany, w taki sposób, że wymiana elektronów zachodzi przez zewnętrzny przewodnik, który pozwala wykorzystać przepływ prądu elektrycznego, na przykład, aby zapalić żarówkę lub diodę LED.
Na rysunku 2 w lewej półogniwie znajduje się taśma z metalicznej miedzi (Cu) zanurzona w roztworze siarczanu miedzi (CuS0 4 ), natomiast w prawej półogniwie znajduje się taśma cynkowa (Zn) zanurzona w roztwór siarczanu cynku (ZnSO 4 ).
Należy zauważyć, że w każdym półogniwie metal każdego z nich występuje na dwóch stopniach utlenienia: neutralnych atomów metalu i jonów metalu soli tego samego metalu w roztworze.
Jeżeli metalowe taśmy nie są połączone zewnętrznym przewodem przewodzącym, wówczas oba metale są utleniane oddzielnie w swoich odpowiednich ogniwach.
Ponieważ jednak są one połączone elektrycznie, zdarza się, że w Zn zachodzi utlenianie, aw Cu reakcja redukcji. Dzieje się tak, ponieważ stopień utlenienia cynku jest większy niż stopień utlenienia miedzi.
Utleniony metal oddaje elektrony metalowi, który jest redukowany przez zewnętrzny przewodnik, a ten przepływ prądu można wykorzystać.
Reakcje utleniania i redukcji
Reakcja zachodząca po prawej stronie między elektrodą cynkowo-metaliczną a wodnym roztworem siarczanu cynku jest następująca:
Zn o (s) + Zn 2+ (SO 4 ) 2- → 2 Zn 2+ (ac) + (SO 4 ) 2- + 2 e -
Atom cynku (ciało stałe) na powierzchni elektrody anodowej w prawej półogniwie, stymulowany przez jony dodatnie cynku w roztworze, oddaje dwa elektrony i jest uwalniany z elektrody, przechodząc do roztworu wodnego jako jon podwójnie dodatni cynk.
Zdajemy sobie sprawę, że wynik netto był taki, że obojętny atom cynku z metalu, poprzez utratę dwóch elektronów, stał się jonem cynku, który dodaje się do roztworu wodnego, tak że pręt cynkowy stracił jeden atom, a roztwór uzyskał dodatni podwójny jon.
Uwolnione elektrony będą wolały przemieszczać się przez zewnętrzny drut w kierunku metalu drugiej dodatnio naładowanej półogniwa (katoda +). Kostka cynku traci masę, gdy atomy stopniowo przechodzą do roztworu wodnego.
Utlenianie cynku można podsumować następująco:
Zn o (s) → Zn 2+ (ac) + 2 e -
Reakcja zachodząca po lewej stronie jest podobna, ale miedź w roztworze wodnym wychwytuje dwa elektrony (z drugiej połowy ogniwa) i osadza się na elektrodzie miedzianej. Mówi się, że kiedy atom podnosi elektrony, jest on redukowany.
Reakcja redukcji miedzi jest zapisana w następujący sposób:
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu o (s)
Miedziana sztabka nabiera masy, gdy jony roztworu przechodzą do kostki.
Utlenianie zachodzi na anodzie (ujemnej), która odpycha elektrony, podczas gdy redukcja zachodzi na katodzie (dodatniej), która przyciąga elektrony. Wymiana elektronów zachodzi przez zewnętrzny przewodnik.
Solny most
Most solny równoważy ładunki gromadzące się w dwóch półogniwach. Jony dodatnie gromadzą się w półogniwie anodowym, natomiast w ogniwie katodowym pozostaje nadmiar ujemnych jonów siarczanowych.
W przypadku mostka solnego stosuje się roztwór soli (takiej jak chlorek sodu lub chlorek potasu), który nie ingeruje w reakcję, który znajduje się w rurze w kształcie odwróconej litery U, której końce są zatkane ścianką z materiału porowatego.
Jedynym celem mostka solnego jest filtrowanie jonów do każdej komórki, równoważenie lub neutralizowanie nadmiernego ładunku. W ten sposób przez mostek solny wytwarzany jest przepływ prądu przez jony soli, które zamykają obwód elektryczny.
Potencjał utleniania i redukcji
Przez standardowe potencjały utleniania i redukcji rozumie się te, które występują na anodzie i katodzie w temperaturze 25ºC oraz przy roztworach o stężeniu 1M (jeden molowy).
W przypadku cynku jego standardowy potencjał utleniania wynosi E ox = +0,76 V. Standardowy potencjał redukcyjny miedzi to E czerwony = +0,34 V. Siła elektromotoryczna (emf) wytwarzana przez to ogniwo galwaniczne wynosi : emf = +0,76 V + 0,34 V = 1,1 V.
Globalną reakcję ogniwa galwanicznego można zapisać następująco:
Zn o (s) + Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu o (s)
Biorąc pod uwagę siarczan, reakcja netto to:
Zn o (s) + Cu 2+ (SO 4 ) 2- 25ºC → Zn 2+ (SO 4 ) 2- + Cu o (s)
Siarczan jest świadkiem, podczas gdy metale wymieniają elektrony.
Symboliczne przedstawienie ogniwa galwanicznego
Ogniwo galwaniczne na rysunku 2 jest symbolicznie przedstawione w następujący sposób:
Zn o (s) -Zn 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) (1M) -Cu o (s)
Tradycyjnie metal, który utlenia się i tworzy anodę (-) jest zawsze umieszczany po lewej stronie, a jego jon w stanie wodnym jest oddzielony kreską (-). Półogniwo anodowe jest oddzielone od katodowego dwoma prętami (-) przedstawiającymi mostek solny. Po prawej stronie znajduje się metalowe półogniwo, które jest zredukowane i tworzy katodę (+).
W symbolicznym przedstawieniu ogniwa galwanicznego skrajna lewa strona to zawsze metal, który jest utleniony, a metal redukowany jest umieszczony po prawej stronie (w stanie stałym). Należy zauważyć, że na rysunku 2 półkomórki znajdują się w odwrotnym położeniu w stosunku do konwencjonalnej reprezentacji symbolicznej.
Aplikacje
Znając standardowe potencjały utleniania różnych metali, można określić siłę elektromotoryczną, jaką wytworzy ogniwo galwaniczne zbudowane z tych metali.
W tej sekcji zastosujemy to, co podano w poprzednich sekcjach, aby obliczyć siłę elektromotoryczną netto ogniwa zbudowanego z innych metali.
Jako przykład zastosowania rozważymy ogniwo galwaniczne z żelaza (Fe) i miedzi (Cu). Jako dane podano następujące reakcje redukcji i ich standardowy potencjał redukcyjny, to znaczy przy 25 ° C i stężeniu 1M:
Fe 2+ (ac) + 2 e - → Fe (s). Sieć E1 = -0,44 V.
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu (s). E2 czerwony = +0,34 V.
Należy znaleźć siłę elektromotoryczną netto wytwarzaną przez następujące ogniwo galwaniczne:
Fe (s) -Fe 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) -Cu (s)
W tym ogniwie żelazo utlenia się i jest anodą ogniwa galwanicznego, podczas gdy miedź redukuje i jest katodą. Potencjał utleniający żelaza jest równy, ale przeciwny do jego potencjału redukcyjnego, to znaczy E1 oxd = +0,44.
Aby uzyskać siłę elektromotoryczną wytwarzaną przez to ogniwo galwaniczne, dodajemy potencjał utleniający żelaza z potencjałem redukcyjnym miedzi:
emf = E1 oxd + E2 czerwony = -E1 czerwony + E2 czerwony = 0,44 V + 0,34 V = 0,78 V.
Ogniwo galwaniczne w życiu codziennym
Ogniwa galwaniczne do codziennego użytku mają bardzo różny kształt od tego, który jest używany jako model dydaktyczny, ale ich zasada działania jest taka sama.
Najczęściej używanym ogniwem jest bateria alkaliczna 1,5 V w różnych prezentacjach. Pierwsza nazwa pochodzi, ponieważ jest to zestaw komórek połączonych szeregowo w celu zwiększenia emf.
Akumulatory litowe również działają na tej samej zasadzie co ogniwa galwaniczne i są stosowane w smartfonach, zegarkach i innych urządzeniach.
W ten sam sposób akumulatory ołowiowe do samochodów, motocykli i łodzi mają napięcie 12 V i są oparte na tej samej zasadzie działania ogniwa galwanicznego.
Ogniwa galwaniczne wykorzystywane są w estetyce i regeneracji mięśni. Istnieją zabiegi na twarz, które polegają na doprowadzeniu prądu przez dwie elektrody w kształcie wałka lub kuli, które oczyszczają i tonizują skórę.
Impulsy prądowe są również stosowane do regeneracji mięśni u osób w stanie pokłonu.
Budowa domowego ogniwa galwanicznego
Istnieje wiele sposobów na zbudowanie domowego ogniwa galwanicznego. Jednym z najprostszych jest użycie octu jako roztworu, gwoździ stalowych i drutów miedzianych.
materiały
-Jednorazowe plastikowe kubki
-Biały ocet
-Dwie stalowe śruby
-Dwa kawałki gołego drutu miedzianego (bez izolacji i lakieru)
-Woltomierz
Proces
-Napełnij ¾ części szklanki octem.
-Dołącz dwie stalowe śruby kilkoma zwojami drutu, pozostawiając odwinięty kawałek drutu.
Rozwinięty koniec drutu miedzianego wygina się w odwróconą literę U tak, aby spoczywał na krawędzi szkła, a śruby zanurzone były w occie.
Rysunek 3. Domowe ogniwo galwaniczne i multimetr. Źródło: youtube.com
Inny kawałek drutu miedzianego jest również wygięty w odwróconą literę U i jest zawieszony na krawędzi szkła w położeniu diametralnie przeciwległym do zanurzonych śrub, tak że część miedzi znajduje się wewnątrz octu, a druga część drutu miedzianego na zewnątrz. szkła.
Wolne końce przewodów woltomierza są połączone w celu pomiaru siły elektromotorycznej wytwarzanej przez to proste ogniwo. Emf tego typu ogniw wynosi 0,5 V. Aby wyrównać emf baterii alkalicznej, konieczne jest zbudowanie dwóch kolejnych ogniw i połączenie trzech szeregowo, tak aby uzyskać baterię 1,5 V
Bibliografia
- Borneo, R. Ogniwa galwaniczne i elektrolityczne. Odzyskany z: classdequimica.blogspot.com
- Cedrón, J. General chemistry. PUCP. Odzyskany z: corinto.pucp.edu.pe
- Farrera, L. Wprowadzenie do elektrochemii. Zakład Fizykochemii UNAM. Odzyskany z: depa.fquim.unam.mx.
- Wikipedia. Ogniwo elektrochemiczne. Odzyskany z: es.wikipedia.com.
- Wikipedia. Ogniwo galwaniczne. Odzyskany z: es.wikipedia.com.