- A galván cella alkatrészei
- Működés
- Oxidációs és redukciós reakciók
- A sóhíd
- Oxidációs és redukciós potenciál
- A galván cella szimbolikus ábrázolása
- Alkalmazások
- A galván cella a mindennapi életben
- Házi galván cella építése
- anyagok
- Folyamat
- Irodalom
A galván cella vagy a vulkáni cella olyan típusú elektrokémiai cella, amely két különböző fémből áll, amelyeket két félcellába merítünk, és amelyekben az oldatban lévő vegyület spontán reakciót aktivál.
Ezután az egyik félcellában lévő fémek oxidálódnak, míg a másik félcellában lévő fémek redukálódnak, és elektroncserét eredményeznek egy külső áramkörön keresztül. Ez lehetővé teszi az elektromos áram előnyeinek kihasználását.
1. ábra: A galvanikus cella vázlata és részei. Forrás: corinto.pucp.edu.pe.
A "galvanikus cella" név az elektromos árammal való kísérlet egyik úttörőjének, az olasz orvosnak és élettani orvosnak, Luigi Galvaninak (1737-1798) tiszteletére.
Galvani 1780-ban fedezte fel, hogy ha az eltérő fémek kábelei az egyik végükön vannak csatlakoztatva, és a szabad végeket érintkezésbe hozzák egy (elhullott) béka felbukkanásával, akkor összehúzódás történt.
Azonban az első, aki elektromos kémiai cellát épített villamosenergia-előállítás céljából, 1800-ban az olasz Alessandro Volta (1745-1827) is létrehozta, és ebből következően a vulkárelem alternatív neve is volt.
A galván cella alkatrészei
A galvanikus cella részeit az 1. ábra mutatja, és a következők:
1.- Anódos félvezető
2.- Anód elektróda
3.- Anódos oldat
4.- katód félvezető
5.- Katód-elektróda
6.- Katódos megoldás
7.- Sós híd
8.- Fémvezető
9.- voltmérő
Működés
A galván cella működésének magyarázatához az alsót használjuk:
2. ábra. A galván cella didaktikus modellje. Forrás: slideserve.com
A galvanikus elem alapvető gondolata az, hogy az oxidációs reakción áteső fémet fizikailag el kell választani a redukált fémetől oly módon, hogy az elektronok cseréje külső vezetőn keresztül történjen, amely lehetővé teszi az elektromos áram áramának kihasználását. például izzó vagy led bekapcsolásához.
A 2. ábrán a bal oldali cellában van egy fém réz (Cu) szalag, amelyet réz-szulfát oldatba merítünk (CuS0 4), míg a jobb oldali cellában egy cink (Zn) szalag van bemerítve. cink-szulfát (ZnSO 4) oldatát.
Meg kell jegyezni, hogy mindegyik félcellában az egyes fémek két oxidációs állapotban vannak: az semleges fématomok és ugyanazon fém sójának fémionjai az oldatban vannak.
Ha a fémszalagok nem kapcsolódnak egy külső vezető huzallal, akkor mindkét fémet külön-külön oxidálják a megfelelő celláikban.
Mivel azonban elektromosan vannak csatlakoztatva, előfordulhat, hogy Zn-ben oxidáció történik, míg Cu-ban redukciós reakció következik be. Ennek oka az, hogy a cink oxidációs foka nagyobb, mint a rézé.
Az oxidált fém elektronokat ad a fémnek, amely redukálódik a külső vezetőn keresztül, és ez az áramáram kihasználható.
Oxidációs és redukciós reakciók
A cink-fém elektróda és a vizes cink-szulfát-oldat között a jobb oldalon a következő reakció zajlik:
Zn o (s) + Zn 2+ (SO 4) 2- → 2 Zn 2+ (ac) + (SO 4) 2- + 2 e -
A jobb oldali cella anód-elektródjának cink-atomja (szilárd), amelyet az oldatban lévő cink pozitív ionjai stimulálnak, két elektronot ad fel, és leválasztódik az elektródtól, és a vizes oldatba kettős pozitív ionként átjutva cink.
Rájöttünk, hogy a nettó eredmény az, hogy a fém semleges cink atomja két elektron veszteségével cink-ionré válik, amely hozzáadja a vizes oldatot, így a cink-rúd egy atomot veszített, és a Az oldat pozitív kettős ionot nyert.
A felszabadult elektronok inkább a külső vezetéken keresztül mozognak a másik pozitívan töltött félcellán fémje felé (katód +). A cinkrúd veszít tömegét, mivel atomjai fokozatosan átjutnak a vizes oldatba.
A cink oxidációja a következőképpen foglalható össze:
Zn o (s) → Zn 2+ (ac) + 2 e -
A bal oldalon végbemenő reakció hasonló, de a vizes oldatban lévő réz két elektront elfog (a másik fél cellából) és lerakódik a réz elektródán. Amikor egy atom elektronokat vesz fel, azt állítják, hogy csökken.
A réz redukciós reakció így íródik:
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu o (k)
A rézrúd tömege növekszik, amikor az oldat ionjai átjutnak a rúdra.
Az oxidáció az anódon (negatív) fordul elő, amely az elektronokat taszítja, míg a redukció a katódnál (pozitív) történik, amely vonzza az elektronokat. Az elektroncsere a külső vezetőn keresztül történik.
A sóhíd
A sóhíd kiegyenlíti a két félcellában felhalmozódó töltéseket. A pozitív ionok felhalmozódnak az anódos félcellában, míg a katódos cellában a negatív szulfát-ionok feleslege marad.
A sóhídhoz egy só (például nátrium-klorid vagy kálium-klorid) oldatát használják, amely nem beavatkozik a reakcióba, és egy fordított U alakú csőben van, amelynek végei porózus anyagú fallal vannak dugva.
A sóhíd célja kizárólag az, hogy az ionok kiszűrjék az egyes cellákat, kiegyenlítsék vagy semlegesítsék a felesleges töltést. Ilyen módon áram keletkezik a sóhídon, a sóionokon keresztül, amely bezárja az elektromos áramkört.
Oxidációs és redukciós potenciál
A szokásos oxidációs és redukciós potenciál alatt az anódon és a katódon, 25 ° C hőmérsékleten és 1 M koncentrációjú (egy moláris) oldatokkal fordulnak elő.
A cink standard oxidációs potenciálja E ox = +0,76 V. Míg a réz standard redukciós potenciálja E red = +0,34 V. Az e galván cella által generált elektromotoros erő (emf): emf = +0,76 V + 0,34 V = 1,1 V
A galván cella globális reakciója így írható:
Zn o (s) + Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu o (s)
A szulfátot figyelembe véve a nettó reakció:
Zn o (k) + Cu 2+ (SO 4) 2- 25ºC → Zn 2+ (SO 4) 2- + Cu o (k)
A szulfát egy járókelő, míg a fémek elektronokat cserélnek.
A galván cella szimbolikus ábrázolása
A 2. ábrán látható galváncellát szimbolikusan a következőképpen ábrázoljuk:
Zn o (s) -Zn 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) (1M) -Cu o (s)
Megállapodás szerint a fém, amely oxidálja és formálja az anódot (-), mindig balra helyezkedik el, és vizes állapotában lévő ionját bar (-) választja el egymástól. Az anód félcellát a katódtól két sáv választja el (-), amelyek a sóhídot képviselik. Jobbra helyezi a redukált fém félcellát, amely a katódot (+) képezi.
A galván cella szimbolikus ábrázolásában a szélső bal mindig az az oxidált fém, a redukált fém pedig a jobb szélső oldalán van (szilárd állapotban). Meg kell jegyezni, hogy a 2. ábrán a félcellák fordított helyzetben vannak a hagyományos szimbolikus ábrázoláshoz képest.
Alkalmazások
Ismerve a különféle fémek szokásos oxidációs potenciálját, meg lehet határozni az elektromotoros erőt, amelyet az ezekkel a fémekkel épített galvanikus cella fog előállítani.
Ebben a szakaszban az előző szakaszokban foglaltakat alkalmazzuk az egyéb fémekkel épített cella nettó elektromotoros erejének kiszámításához.
Az alkalmazás példája a vas (Fe) és a réz (Cu) galván cella. Adatokként a következő redukciós reakciókat és azok standard redukciós potenciálját adjuk meg, azaz 25ºC-on és 1 M koncentrációban:
Fe 2+ (ac) + 2 e - → Fe (k). E1 hálózat = -0,44 V
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu (k). E2 piros = +0,34 V
Megkérjük, hogy keresse meg a következő galvanikus elem által generált nettó elektromotoros erőt:
Fe (k) -Fe 2+ (aq) (1 M) - Cu 2+ (aq) -Cu (k)
Ebben a cellában a vas oxidálódik és a galván cella anódja, míg a réz redukál és a katód. A vas oxidációs potenciálja egyenlő, de ellentétes redukciós potenciállal, azaz E1 oxd = +0,44.
Ahhoz, hogy megkapjuk az e galván cella által termelt elektromotoros erőt, hozzáadjuk a vas oxidációs potenciálját a réz redukciós potenciáljával:
emf = E1 oxd + E2 piros = -E1 piros + E2 piros = 0,44 V + 0,34 V = 0,78 V.
A galván cella a mindennapi életben
A mindennapi használatra szánt galvanikus cellák alakja nagyon különbözik a didaktikus modellként alkalmazott alapelemektől, de működési elvük ugyanaz.
A leggyakrabban használt elem az 1,5 V-os alkáli elem, különféle bemutatásainál. Az keresztnév azért jön, mert ez egy cellák sorozata, amelyek sorba vannak kapcsolva az emf növelése érdekében.
A lítium-újratölthető akkumulátorok ugyanazon a működési elven alapulnak, mint a galvanikus elemek, és ezeket használják okostelefonokban, órákban és más eszközökben.
Ugyanígy a személygépkocsik, motorkerékpárok és csónakok ólom akkumulátorai 12 V-osak, és a galvanikus elem ugyanazon működési elvén alapulnak.
A galván sejteket esztétikában és az izmok regenerációjában használják. Vannak olyan arckezelések, amelyek során az áramot két elektródán keresztül henger vagy gömb alakú árammal továbbítják, amelyek tisztítják és tonizálják a bőrt.
A jelenlegi impulzusokat az emberek izmainak regenerálására is alkalmazzák, akik prostituáltak.
Házi galván cella építése
Sokféle módon lehet házi galván cellát felépíteni. Az egyik legegyszerűbb ecet felhasználása oldatként, acélszögek és rézhuzalok.
anyagok
-Egyszer használatos műanyag pohár
-Fehér ecet
- Két acél csavar
-Két darab csupasz rézhuzal (nincs szigetelés vagy lakk)
-A voltmérő
Folyamat
-Töltse meg az üveg ¾ részét ecettel.
- Csatlakoztassa a két acélcsavart több huzalfordulattal, hagyva egy darab huzalt lecsévélve.
A rézhuzal tekercsetlen végét fordított U alakba hajlítják úgy, hogy az az üveg peremén nyugszik, és a csavarokat az ecet meríti.
3. ábra Házi galván cella és multiméter. Forrás: youtube.com
Egy másik rézhuzal darabja egy fordított U alakban is meg van hajlítva, és az üveg szélére lóg a merített csavarokkal átmérővel szemben, olyan helyzetben, hogy a réz egy része az ecet belsejében, a rézhuzal másik része kívül legyen. az üveg.
A voltmérő vezetékeinek szabad végei össze vannak kötve, hogy megmérjék ezen egyszerű cella által generált elektromotoros erőt. Az ilyen típusú sejtek emf értéke 0,5 V. Az alkáli elem emf kiegyenlítéséhez további két cellát kell felépíteni, és a három sorozatot egymás után csatlakoztatni, hogy 1,5 V-os akkumulátort kapjunk
Irodalom
- Borneo, R. Galván és elektrolitikus cellák. Helyreállítva: classdequimica.blogspot.com
- Cedrón, J. Általános kémia. PUCP. Helyreállítva: corinto.pucp.edu.pe
- Farrera, L. Bevezetés az elektrokémiaba. Fizikai-kémiai Tanszék UNAM. Helyreállítva: depa.fquim.unam.mx.
- Wikipedia. Elektrokémiai cella. Helyreállítva: es.wikipedia.com.
- Wikipedia. Galván cella. Helyreállítva: es.wikipedia.com.