Γαλβανικό στοιχείο

Τύποι χημικών κυττάρων

• Απλό κύτταρο
• Ξηρή κυψέλη
• Υγρή κυψέλη
• Κυψέλη καυσίμου
• Ηλιακό κύτταρο
• Ηλεκτρικό κύτταρο

Ηλεκτροχημικές κυψέλες

Μια εξαιρετικά σημαντική κατηγορία αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής χρησιμοποιείται για την παροχή χρήσιμης ηλεκτρικής ενέργειας στις μπαταρίες. Μια απλή ηλεκτροχημική κυψέλη μπορεί να κατασκευαστεί από μέταλλα χαλκού και ψευδαργύρου με διαλύματα των θειικών τους αλάτων. Κατά τη διαδικασία της αντίδρασης, τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταφερθούν από τον ψευδάργυρο στον χαλκό μέσω μιας ηλεκτρικά αγώγιμης διαδρομής ως χρήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα.

Μια ηλεκτροχημική κυψέλη μπορεί να δημιουργηθεί με την τοποθέτηση μεταλλικών ηλεκτροδίων σε έναν ηλεκτρολύτη, όπου μια χημική αντίδραση είτε χρησιμοποιεί είτε παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Οι ηλεκτροχημικές κυψέλες που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζονται βολταϊκές κυψέλες ή γαλβανικές κυψέλες και οι κοινές μπαταρίες αποτελούνται από μία ή περισσότερες τέτοιες κυψέλες. Σε άλλες ηλεκτροχημικές κυψέλες χρησιμοποιείται εξωτερικό ηλεκτρικό ρεύμα για να κινηθεί μια χημική αντίδραση που δεν θα συνέβαινε αυθόρμητα. Τέτοιες κυψέλες ονομάζονται ηλεκτρολυτικές κυψέλες.

Βολταϊκά κύτταρα

Μια ηλεκτροχημική κυψέλη που προκαλεί εξωτερική ροή ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας δύο οποιαδήποτε διαφορετικά μέταλλα, δεδομένου ότι τα μέταλλα διαφέρουν ως προς την τάση τους να χάνουν ηλεκτρόνια. Ο ψευδάργυρος χάνει ευκολότερα ηλεκτρόνια από τον χαλκό, οπότε η τοποθέτηση μεταλλικού ψευδαργύρου και χαλκού σε διαλύματα των αλάτων τους μπορεί να προκαλέσει ροή ηλεκτρονίων μέσω ενός εξωτερικού καλωδίου που οδηγεί από τον ψευδάργυρο στον χαλκό. Καθώς ένα άτομο ψευδαργύρου παρέχει τα ηλεκτρόνια, γίνεται θετικό ιόν και μπαίνει σε υδατικό διάλυμα, μειώνοντας τη μάζα του ηλεκτροδίου ψευδαργύρου. Από την πλευρά του χαλκού, τα δύο ηλεκτρόνια που λαμβάνει του επιτρέπουν να μετατρέψει ένα ιόν χαλκού από το διάλυμα σε μη φορτισμένο άτομο χαλκού, το οποίο εναποτίθεται στο ηλεκτρόδιο χαλκού, αυξάνοντας τη μάζα του. Οι δύο αντιδράσεις τυπικά γράφονται

Zn(s) --> Zn²⁺(aq) + 2e

Cu²⁺(aq) + 2e ^---> Cu(s)

Τα γράμματα σε παρένθεση απλώς υπενθυμίζουν ότι ο ψευδάργυρος μετατρέπεται από στερεό (s) σε υδατικό διάλυμα (aq) και αντίστροφα ο χαλκός. Είναι τυπικό στη γλώσσα της ηλεκτροχημείας να αναφερόμαστε σε αυτές τις δύο διαδικασίες ως "ημιαντιδράσεις" που συμβαίνουν στα δύο ηλεκτρόδια.

Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e

Η "ημιαντίδραση" του ψευδαργύρου ταξινομείται ως οξείδωση, καθώς χάνει ηλεκτρόνια. Ο ακροδέκτης στον οποίο λαμβάνει χώρα η οξείδωση ονομάζεται "άνοδος". Για μια μπαταρία, αυτός είναι ο αρνητικός πόλος.

 

Η "ημιαντίδραση" του χαλκού ταξινομείται ως αναγωγή, δεδομένου ότι κερδίζει ηλεκτρόνια. Ο ακροδέκτης στον οποίο λαμβάνει χώρα η αναγωγή ονομάζεται "κάθοδος". Για μια μπαταρία, αυτός είναι ο θετικός πόλος.

Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s)

Προκειμένου το βολταϊκό στοιχείο να συνεχίσει να παράγει εξωτερικό ηλεκτρικό ρεύμα, πρέπει να υπάρχει μετακίνηση των θειικών ιόντων στο διάλυμα από τα δεξιά προς τα αριστερά για να εξισορροπηθεί η ροή ηλεκτρονίων στο εξωτερικό κύκλωμα. Τα ίδια τα μεταλλικά ιόντα πρέπει να εμποδίζονται να μετακινούνται μεταξύ των ηλεκτροδίων, οπότε κάποιο είδος πορώδους μεμβράνης ή άλλος μηχανισμός πρέπει να εξασφαλίζει την επιλεκτική μετακίνηση των αρνητικών ιόντων στον ηλεκτρολύτη από τα δεξιά προς τα αριστερά.

Απαιτείται ενέργεια για να αναγκαστούν τα ηλεκτρόνια να μετακινηθούν από το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου στο ηλεκτρόδιο χαλκού και η ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα φορτίου που διατίθεται από το βολταϊκό στοιχείο ονομάζεται ηλεκτροκινητική δύναμη (emf) του στοιχείου. Η ενέργεια ανά μονάδα φορτίου εκφράζεται σε βολτ (1 βολτ = 1 joule/coulomb).

Προφανώς, για να πάρουμε ενέργεια από το κύτταρο, πρέπει να έχουμε περισσότερη ενέργεια που απελευθερώνεται από την οξείδωση του ψευδαργύρου από όση χρειάζεται για την αναγωγή του χαλκού. Η κυψέλη μπορεί να αποδώσει ένα πεπερασμένο ποσό ενέργειας από αυτή τη διαδικασία, καθώς η διαδικασία περιορίζεται από την ποσότητα του διαθέσιμου υλικού είτε στον ηλεκτρολύτη είτε στα μεταλλικά ηλεκτρόδια. Για παράδειγμα, εάν υπήρχε ένα μόριο των θειικών ιόντων SO₄^2- στην πλευρά του χαλκού, τότε η διαδικασία περιορίζεται στη μεταφορά δύο μορίων ηλεκτρονίων μέσω του εξωτερικού κυκλώματος. Η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου που περιέχεται σε ένα μόριο ηλεκτρονίων ονομάζεται σταθερά Faraday και ισούται με τον αριθμό Avogadro επί το φορτίο των ηλεκτρονίων:

Σταθερά Faraday = F = _ANe = 6,022 x 10²³ x 1,602 x 10 ^-19= 96,485 Coulombs/mole

Η απόδοση ενέργειας από ένα βολταϊκό στοιχείο δίνεται από την τάση του στοιχείου επί τον αριθμό των μορίων των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται επί τη σταθερά Faraday.

Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας = nFE

Η ηλεκτρεγερτική τάση E_cell μπορεί να προβλεφθεί από τα πρότυπα δυναμικά των ηλεκτροδίων για τα δύο μέταλλα. Για την κυψέλη ψευδαργύρου/χαλκού υπό τις τυπικές συνθήκες, το υπολογισμένο δυναμικό της κυψέλης είναι 1,1 βολτ.

Απλό κύτταρο

Ένα απλό κελί έχει συνήθως πλάκες χαλκού (Cu) και ψευδαργύρου (Zn) σε αραιό θειικό οξύ. Ο ψευδάργυρος διαλύεται και στην πλάκα χαλκού εμφανίζονται φυσαλίδες υδρογόνου. Αυτές οι φυσαλίδες υδρογόνου παρεμποδίζουν τη διέλευση του ρεύματος και έτσι ένα απλό κελί μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για μικρό χρονικό διάστημα. Για την παροχή σταθερού ρεύματος, απαιτείται ένας αποπολωτής (οξειδωτικός παράγοντας) για την οξείδωση του υδρογόνου. Στην κυψέλη Daniel, ο αποπολωτής είναι ο θειικός χαλκός, ο οποίος ανταλλάσσει το υδρογόνο με χαλκό. Στην μπαταρία Leclanche, ο αποπολωτής είναι το διοξείδιο του μαγγανίου, το οποίο οξειδώνει το υδρογόνο σε νερό.

Απλό κύτταρο

Daniel cell

Ο Άγγλος χημικός John Frederick Daniell ανέπτυξε ένα βολταϊκό στοιχείο το 1836, το οποίο χρησιμοποιούσε ψευδάργυρο και χαλκό και διαλύματα των ιόντων τους.

Βασικό

• Ράβδος ψευδαργύρου = αρνητικός ακροδέκτης
• ₂HSO₄ = ηλεκτρολύτης αραιού θειικού οξέος
• Το πορώδες δοχείο διαχωρίζει τα δύο υγρά
• CuSO₄ = αποπολωτής θειικού χαλκού
• Χάλκινο δοχείο = θετικός ακροδέκτης

Διάγραμμα ενός κυττάρου Daniel