Osim elektrolize, moguća je i druga opcija za pojavu redoks reakcije. U tom slučaju elektroni od redukcijskog sredstva do oksidirajućeg sredstva prolaze kroz metalni vodič kroz vanjski električni krug. Kao rezultat toga, u vanjskom krugu nastaje električna struja, a takav se uređaj naziva galvanski element. Galvanski članci su kemijski izvori struje- uređaji za izravnu pretvorbu kemijske energije u električnu, zaobilazeći njezine druge oblike.
Galvanski članci temeljeni na razni metali a njihovi spojevi su naširoko pronađeni praktičnu upotrebu kao kemijski izvori struje.
U galvanskom članku kemijska energija pretvorena u električnu. Najjednostavniji galvanski članak sastoji se od dvije posude s otopinama CuSO 4 i ZnSO 4 u koje su uronjene bakrene, odnosno cinčane ploče. Posude su međusobno povezane cijevi koja se zove slani most, a ispunjena je otopinom elektrolita (na primjer, KCl). Takav sustav se zove bakar-cink galvanski članak.
Shematski, procesi koji se odvijaju u bakreno-cink galvanskom članku ili, drugim riječima, dijagram galvanskog članka prikazani su na donjoj slici.
Dijagram galvanskog članka
Proces oksidacije cinka odvija se na anodi:
Zn - 2e - = Zn 2+.
Zbog toga se atomi cinka pretvaraju u ione koji prelaze u otopinu, a cinkova anoda se otapa i njezina se masa smanjuje. Imajte na umu da je anoda u galvanskom članku negativna elektroda (zbog elektrona dobivenih iz atoma cinka) za razliku od procesa elektrolize gdje je spojena na pozitivni pol vanjske baterije.
Elektroni iz atoma cinka na vanjskoj strujni krug(metalni vodič) prelaze na katodu, gdje se odvija proces redukcije iona bakra iz otopine njegove soli:
Cu 2+ + 2e – = Cu.
Kao rezultat toga nastaju atomi bakra koji se talože na površini katode, a njezina se masa povećava. Katoda u galvanskom članku je pozitivno nabijena elektroda.
Ukupna jednadžba za reakciju koja se odvija u galvanskoj ćeliji bakar-cink može se prikazati na sljedeći način:
Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu.
Zapravo dolazi do reakcije zamjene bakra cinkom u njegovoj soli. Ista se reakcija može provesti i na drugi način - uroniti cinčanu ploču u otopinu CuSO 4 . U tom slučaju nastaju isti proizvodi - ioni bakra i cinka. No razlika između reakcije u bakreno-cink galvanskom članku je u tome što su procesi gubitka i dobitka elektrona prostorno odvojeni. Procesi otpuštanja (oksidacije) i adicije (redukcije) elektrona ne odvijaju se u izravnom kontaktu atoma Zn s ionom Cu 2+, već na različitim mjestima u sustavu - odnosno na anodi i katodi, koje su povezani metalnim vodičem. S ovom metodom izvođenja ove reakcije, elektroni se kreću od anode do katode duž vanjskog kruga, koji je metalni vodič. Usmjereni i uređeni tok nabijenih čestica (u ovom slučaju elektrona) je struja. U vanjskom krugu galvanskog članka nastaje električna struja. Za glasanje morate omogućiti JavaScript
Kemijski izvori električna struja odnosno galvanskih članaka pretvaraju energiju oslobođenu tijekom redoks reakcija u električnu energiju. Galvanski članci služe kao izvori istosmjerne struje. Dijele se na kemijski I koncentracija.
Najjednostavniji kemijski galvanski članak može se sastojati od dvije metalne elektrode različitih elektrodnih potencijala spojenih u zatvoreni krug.
Na elektrodi koja ima niži elektrodni potencijal doći će do procesa oksidacije. Ova se elektroda naziva drugačije anoda.
Na elektrodi koja ima veću vrijednost elektrodnog potencijala doći će do procesa redukcije. Ova se elektroda naziva drugačije katoda.
Razmotrimo detaljnije princip rada galvanskih ćelija na primjeru elementa koji se sastoji od cinkove i bakrene elektrode. Ovaj element se naziva drugačije Jacobi-Daniel element (Slika 94).
Riža. 94. Shema bakar-cink galvanskog članka
Svaka elektroda sastoji se od metalne ploče uronjene u otopinu soli: ZnSO 4 odnosno CuSO 4 .
Otopine soli su međusobno odvojene poroznom pregradom, kroz koju lako prolaze ioni metala i SO 4 2-. Često, umjesto porozne pregrade, " slani most » – zakrivljena staklena cijev napunjena zasićenom otopinom KCl (slika 95). U ovom slučaju, elektrode ne dodiruju jedna drugu, svaka od njih je u zasebnoj posudi, koje su spojene slanim mostom.
Riža. 95. Shema elementa bakar-cink sa slanim mostom: 1 – cinčana ploča; 2 – bakrena ploča; 3 – slani most
U ovom slučaju na cinčanoj elektrodi dolazi do procesa oksidacije:
Zn 0 – 2ē = Zn 2+,
uslijed čega ioni cinka s ploče prelaze u otopinu. Višak elektrona prolazi kroz metalni vodič od cinčane ploče do bakrene ploče i reducira Cu 2+ ione sadržane u otopini
Cu 2+ + 2ē = Cu 0,
koji se talože na ploču u obliku neutralnih atoma. Preostali slobodni sulfatni ioni bakrene elektrode i višak Zn 2+ iona cinkove elektrode kreću se jedni prema drugima kroz poroznu pregradu ili slani most. Dakle, prijenos se događa u lancu električni naboji i javlja se električna struja.
U ovom elementu Električna energija dobiven kao rezultat kemijske reakcije
Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4
Glavna karakteristika galvanskog članka je elektromotorna sila (emf) , o čemu ovisi jakost struje u krugu. Jednaka je razlici potencijala elektrode
e.m.f. = E 2 – E 1
gdje su E 1 i E 2 potencijali anode i katode.
Za Jacobi-Danielov galvanski članak elektromotorna sila je
e.m.f. = E Cu – E Zn
Što je vrijednost emf veća. elementa, veća je struja u njegovom krugu.
Prema Nernstovoj jednadžbi, potencijal bakrenih i cinkovih elektroda izračunava se pomoću formula:
E Cu = E Cu 0 +
E Zn = E Zn 0 +
Oduzimanjem druge jednadžbe od prve dobivamo izraz za izračunavanje emf. bakar-cink galvanski članak
e.m.f. = E Cu 0 – E Zn 0 + =
E Cu 0 – E Zn 0 +
Za bilo koji drugi element koji se sastoji od dvije metalne elektrode, a čiji se rad temelji na kemijska reakcija, elektromotorna sila se može izračunati pomoću formule:
e.m.f. = E 2 0 – E 1 0 +
gdje su E 2 0 i E 1 0 standardni elektrodni potencijali katode i anode; n 2 i n 1 - vrijednosti naboja iona koji sudjeluju u polureakcijama koje se javljaju na katodi i anodi; a 2 i a 1 – aktivnosti metalnih iona u otopinama na katodi odnosno anodi).
Za temperaturu od 298 K, pri zamjeni vrijednosti konstanti R i F i pri prelasku s prirodnog logaritma na decimalni, naša će jednadžba biti drugačije zapisana:
e.m.f. = E 2 0 – E 1 0 + 0,059
Galvanske ćelije mogu se označiti u obliku dijagrama. S lijeve strane obično je elektroda ili polu-ćelija s nižim elektrodnim potencijalom (anoda), a desno - s višim elektrodnim potencijalom (katoda).
Pri snimanju elektroda najprije označite čvrstu fazu (na primjer, metal u slučaju metalne ili redoks elektrode), a zatim - tvari otopljene u tekućoj fazi. Faze su međusobno odvojene jednom okomitom crtom. Ako jedna faza sadrži više komponenti, one se pišu odvojene zarezima.
Sučelje između otopina dviju elektroda prikazano je isprekidanom okomitom linijom ili dvjema punim linijama ½½ (ako su otopine jedna od druge odvojene slanim mostom).
U skladu s gornjim pravilima, krug Jacobi-Danielovog elementa izgleda ovako:
Zn ½ ZnSO 4 ½½ CuSO 4 ½ Cu
Galvanski članak također može biti sastavljen od dvije redoks elektrode koje imaju različite vrijednosti redoks potencijala. Takvi elementi se inače nazivaju redoks galvanskim člancima. Također spadaju u kemijske galvanske članke jer Njihovo djelovanje temelji se na kemijskoj reakciji.
Galvanski članak, u kojem izvor energije nije kemijska reakcija, već rad izjednačavanja koncentracija (aktivnosti) iona, naziva se koncentracijskim člankom. . Može se sastojati od dvije identične metalne elektrode uronjene u otopine iste soli, ali s različitim koncentracijama (aktivnostima) metalnih iona (slika 96), na primjer:
Zn ½ ZnSO 4 ½½ ZnSO 4 ½ Zn ili Ag ½ AgNO 3 ½½ AgNO 3 ½ Ag
Riža. 96. Lanac koncentracije cinka: M – solni most koji sadrži kalijev klorid
Elektroda koja se nalazi u razrijeđenijoj otopini se otapa, njeni ioni prelaze u otopinu:
Cu – 2ē ® Cu 2+
Ag – ē ® Ag +
Sama elektroda postaje negativno nabijena.
Naprotiv, metalni ioni talože se na elektrodu uronjenu u koncentriraniju otopinu i ona postaje pozitivno nabijena. Tako se na obje elektrode odvijaju procesi koji dovode do izjednačavanja koncentracije metalnih iona u otopinama.
Potencijali elektroda su jednaki:
E1 = E0+; E 2 = E 0 +
Oduzimanjem prve jednadžbe od druge dobivamo formulu za izračunavanje emf. iz elementa koncentracije:
e.m.f. = E 2 – E 1 =
Koncentracijski element će raditi sve dok aktivnosti metalnih iona u obje otopine ne budu jednake; kada je a 1 = a 2 njegova emf. bit će jednaka 0.
U modernim uvjetima Najčešći kemijski izvori struje su galvanski članci. Unatoč njihovim pojedinačnim nedostacima, naširoko se koriste u elektronici, te se stalno radi na njihovom poboljšanju. Princip rada galvanskog članka vrlo je jednostavan. U vodena otopina Bakrene i cinčane ploče uranjaju se u sumpornu kiselinu, koje tada djeluju kao pozitivni i negativni polovi.
Princip rada galvanskog članka
Kada su polovi spojeni pomoću vodiča, pojavljuje se jednostavan električni krug. Protok struje unutar elementa dogodit će se od negativnog naboja do pozitivnog, odnosno od cinčane ploče do bakrene. Kretanje nabijenih čestica duž vanjskog kruga bit će u suprotnom smjeru.
Kada su izloženi električnoj struji, kretanje ostataka sumporne kiseline, kao i iona vodika, odvijat će se u različitim smjerovima. Pritom vodik prenosi naboj na bakrenu ploču, a preostala kiselina na cinčanu ploču. Tako će se održavati napon na stezaljkama. Istodobno, mjehurići vodika talože se na bakrenoj ploči, slabeći ukupni učinak elementa i stvarajući dodatni napon. Ovaj napon je poznat kao elektromotorna sila polarizacije. Kako bi se izbjegao ovaj fenomen, u sastav se uvodi tvar koja može apsorbirati atome vodika i izvršiti funkciju depolarizacije.
Galvanski članci: prednosti i nedostaci
Za izradu modernih galvanskih članaka koriste se različiti materijali. Najčešći su materijali na bazi ugljično-cinkovih elemenata koji se koriste za prste.
Njihova glavna pozitivna kvaliteta smatra se relativno niskom cijenom. Međutim, takvi elementi imaju malu snagu i kratak vijek trajanja. Najbolja opcija je korištenje alkalnih elemenata. Ovdje elektrolit nije ugljen, već otopina lužine. Tijekom pražnjenja ne dolazi do oslobađanja plina, što osigurava potpunu nepropusnost. Alkalni elementi imaju dulji vijek trajanja.
Opći princip rada galvanskog članka potpuno je isti za sve tipove. Na primjer, elementi na bazi živinog oksida strukturno su slični alkalnim. Karakterizira ih povećana otpornost na visoke temperature, visoka mehanička čvrstoća i stabilne vrijednosti napona. Nedostatak je toksičnost žive, što zahtijeva pažljivo rukovanje otpadnim elementima.
Primjer kemijskog galvanskog članka je Jacobi-Danielov element (slika 6). Sastoji se od bakrene elektrode (bakrena ploča uronjena u otopinu CuSO 4) i cinčane elektrode (cinkova ploča uronjena u otopinu ZnSO 4). EDL se pojavljuje na površini cinčane ploče i uspostavlja se ravnoteža
Zn ⇄ Zn 2+ + 2ē
U tom slučaju nastaje elektrodni potencijal cinka, a krug elektrode će imati oblik Zn|ZnSO 4 ili Zn|Zn 2+.
Slično, EDS se pojavljuje i na bakrenoj ploči i uspostavlja se ravnoteža
Cu ⇄ Cu 2+ + 2ē
Stoga nastaje elektrodni potencijal bakra, a elektrodni krug će imati oblik Cu|CuSO 4 ili Cu|Cu 2+.
Na Zn elektrodi (elektrokemijski aktivnijoj) odvija se proces oksidacije: Zn – 2ē → Zn 2+. Na Cu elektrodi (elektrokemijski manje aktivnoj) odvija se proces redukcije: Cu 2+ + 2ē → Cu.
Riža. 6 Shema bakar-cink galvanskog članka
Ukupna jednadžba za elektrokemijsku reakciju je:
Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu
ili Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu
Budući da je strujni krug kemijskog galvanskog članka napisan prema pravilu "pravog plusa", strujni krug Jacobi–Danielovog elementa imat će oblik
Dvostruka linija na dijagramu označava elektrolitski kontakt između elektroda, obično se provodi kroz slani most.
U mangan-cink galvanskom članku (slika 7), kao iu bakreno-cinkovom, anoda je cinkova elektroda. Pozitivna elektroda prešana je iz mješavine mangan dioksida s grafitom i acetilenskom čađom u obliku stupca "aglomerata", u čiju je sredinu postavljena ugljična šipka - strujni vodič.
Riža. 7 Dijagram suhe mangan-cink ćelije
1 – anoda (cinkova čašica), 2 – katoda (mješavina mangan dioksida s grafitom), 3 – grafitni vodič s metalnom kapom,
4 - elektrolit
Elektrolit koji sadrži amonijev klorid koji se koristi u mangan-cink ćelijama ima blago kiselu reakciju zbog hidrolize NH 4 CI. U kiselom elektrolitu, proces generiranja struje odvija se na pozitivnoj elektrodi:
MnO 2 + 4N + + 2ē → Mn 2+ + 2N 2 O
U elektrolitu s pH 7-8 ima premalo vodikovih iona i reakcija se počinje odvijati uz sudjelovanje vode:
MnO 2 + H 2 O + ē → MnOOH + OH -
MnOOH je nepotpuni hidroksid mangana (III) - manganit.
Kako se ioni vodika troše u procesu generiranja struje, elektrolit se mijenja iz kiselog u neutralni ili čak alkalni. Nije moguće održati kiselu reakciju u slanom elektrolitu pri pražnjenju elemenata. Nemoguće je dodati kiselinu u slani elektrolit, jer će to uzrokovati ozbiljno samopražnjenje i koroziju cinčane elektrode. Kako se manganit nakuplja na elektrodi, može djelomično reagirati s ionima cinka koji nastaju tijekom pražnjenja cinkove elektrode. U tom slučaju dobiva se teško topljivi spoj - heterolit, a otopina se zakiseli:
2MnOOH + Zn 2+ → ZnO∙Mn 2 O 3 + 2H +
Stvaranje heterolita sprječava da elektrolit postane previše alkaliziran kada se ćelija isprazni.
