- Galvaanisen kennon osat
- Toiminta
- Hapetus- ja pelkistysreaktiot
- Suolasilta
- Hapettumis - ja pelkistyspotentiaalit
- Galvaanisen kennon symbolinen esitys
- Sovellukset
- Galvaaninen kenno jokapäiväisessä elämässä
- Kotitekoisen galvaanisen kennon rakentaminen
- tarvikkeet
- Prosessi
- Viitteet
Galvaaninen kenno tai voltaic solu on eräänlainen sähkökemiallisen kennon, joka koostuu kahdesta eri metallien upotettu kaksi puoli soluissa, joissa liuoksessa aktivoi spontaani reaktio.
Sitten yksi metallisista yhdessä puolikaskennoista hapetetaan, kun taas toisen puolikaskennon metalli pelkistetään tuottaen elektronien vaihdon ulkoisen piirin kautta. Tämä mahdollistaa sähkövirran hyödyntämisen.
Kuva 1. Kaavio ja galvaanisen kennon osat. Lähde: corinto.pucp.edu.pe.
Nimi "galvaaninen solu" on kunnia yhdelle sähkökokeilun pioneereista: italialaiselle lääkärille ja fysiologille Luigi Galvanille (1737-1798).
Galvani havaitsi vuonna 1780, että jos erilaisten metallien kaapelit liitettiin toiseen päähän ja vapaat päät saatettiin kosketukseen (kuolleen) sammakon kanssa, silloin tapahtui supistuminen.
Kuitenkin ensimmäinen, joka rakensi sähkökemiallisen kennon sähkön tuottamiseksi, oli myös italialainen Alessandro Volta (1745-1827) vuonna 1800 ja siten vaihtoehtoinen nimi voltaattikenno.
Galvaanisen kennon osat
Galvaanisen kennon osat on esitetty kuvassa 1 ja ovat seuraavat:
1.- anodinen puolisolu
2.- anodinen elektrodi
3.- anodinen liuos
4.- Katodiparisto
5.- Katodielektrodi
6.- Katodinen ratkaisu
7.- suolaliuosilta
8.- Metallinen johdin
9.- volttimittari
Toiminta
Galvaanisen kennon toiminnan selittämiseksi käytämme alempaa:
Kuva 2. galvaanisen kennon didaktinen malli. Lähde: slideserve.com
Galvaanisen kennon perusidea on, että hapettumisreaktion läpikäyvä metalli on fyysisesti erotettu pelkistyneestä metallista siten, että elektronien vaihto tapahtuu ulkoisen johtimen kautta, joka antaa mahdollisuuden hyödyntää sähkövirran virtausta, esimerkiksi lampun tai ledin kytkemiseksi päälle.
Kuviossa 2, vasen puoli-solu on metallinen kupari (Cu) nauha upotetaan kuparisulfaattiliuoksesta (CuS0 4), kun taas oikea puoli-solu on sinkki (Zn) nauha upotetaan liuokseen, sinkkisulfaattia (ZnSO 4).
On huomattava, että kummassakin puolikennossa kunkin metalli on kahdessa hapetustilassa: metallin neutraalit atomit ja saman metallin suolan metalli-ionit liuoksessa.
Jos metallisia nauhoja ei ole liitetty johtavalla ulkoisella johdolla, niin molemmat metallit hapetetaan erikseen vastaavissa kennoissaan.
Koska ne on kuitenkin kytketty sähköisesti, tapahtuu, että Zn: ssä tapahtuu hapettumista, kun taas Cu: ssa tapahtuu pelkistysreaktio. Tämä johtuu siitä, että sinkin hapettumisaste on suurempi kuin kuparin.
Hapettunut metalli antaa metalleille elektroneja, jotka pelkistyvät ulkojohtimen läpi, ja tämä virtavirta voidaan valjastaa.
Hapetus- ja pelkistysreaktiot
Reaktio, joka tapahtuu sinkkimetallielektrodin ja sinkkisulfaatin vesiliuoksen välillä oikealla puolella, on seuraava:
Zn o (s) + Zn 2+ (SO 4) 2- → 2 Zn 2+ (ac) + (SO 4) 2- + 2 e -
Sinkkiatomi (kiinteä) anodielektrodin pinnalla oikeassa puolikennossa, jota stimuloi liuoksessa olevan sinkin positiiviset ionit, antaa kaksi elektronia ja vapautuu elektrodista, kulkeutuen vesiliuokseen kaksoispositiivisena ionina sinkki.
Ymmärrämme, että nettotulos oli, että metallin neutraalista sinkkiatomista kahden elektronin menetyksen kautta tuli sinkki-ioni, joka lisää vesipitoiseen liuokseen, niin että sinkin sauva menetti yhden atomin ja liuos sai positiivisen kaksoisionin.
Vapautetut elektronit siirtyvät mieluummin ulkovaijerin läpi kohti toisen positiivisesti varautuneen puolikennon metallia (katodi +). Sinkkipalkki on menettämässä massaa, kun sen atomit siirtyvät vähitellen vesiliuokseen.
Sinkin hapettuminen voidaan tiivistää seuraavasti:
Zn o (s) → Zn 2+ (ac) + 2 e -
Reaktio, joka tapahtuu vasemmalla puolella, on samanlainen, mutta vesipitoisessa liuoksessa oleva kupari vangitsee kaksi elektronia (tulevat toisesta puolisolusta) ja laskeutuu kuparielektrodille. Kun atomi poimii elektroneja, sen sanotaan vähenevän.
Kuparireduktioreaktio on kirjoitettu näin:
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu o (s)
Kuparitanko kasvaa massaa, kun liuoksen ionit kulkevat tankoon.
Hapettuminen tapahtuu anodilla (negatiivisella), joka hylkää elektroneja, kun taas pelkistys tapahtuu katodilla (positiivinen), joka houkuttelee elektroneja. Elektroninvaihto tapahtuu ulkojohtimen kautta.
Suolasilta
Suolasilta tasapainottaa varaukset, jotka kerääntyvät kahteen puolikaskennään. Positiiviset ionit kerääntyvät anodiseen puolisoluun, kun taas katodisolussa jää ylimäärä negatiivisia sulfaatti-ioneja.
Suolasiltaan käytetään suolaliuosta (kuten natriumkloridia tai kaliumkloridia), joka ei puutu reaktioon, joka on käännetty U-muotoinen putki, jonka päät on suljettu huokoisen materiaalin seinämällä.
Suolasillan ainoana tarkoituksena on, että ionit suodattavat jokaiseen kennoon tasapainottamalla tai neutraloimalla ylimääräisen varauksen. Tällä tavalla virtavirta tuotetaan suolaisen sillan läpi, suolaionien läpi, joka sulkee sähköpiirin.
Hapettumis - ja pelkistyspotentiaalit
Vakiohapetus- ja pelkistyspotentiaalit ymmärretään sellaisiksi, jotka esiintyvät anodissa ja katodissa lämpötilassa 25ºC ja liuoksilla, joiden konsentraatio on 1 M (yksi mooli).
Sinkin vakiohapetuspotentiaali on sinkillä E ox = +0,76 V. Vaikka kuparin vakiovähennyspotentiaali on E red = +0,34 V. Tämän galvaanisen kennon tuottama sähkömoottorivoima (emf) on: emf = +0,76 V + 0,34 V = 1,1 V.
Galvaanisen kennon globaali reaktio voidaan kirjoittaa näin:
Zn o (s) + Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu o (s)
Sulfaatti huomioon ottaen nettoreaktio on:
Zn o (s) + Cu 2+ (SO 4) 2 - 25 ºC → Zn 2+ (SO 4) 2- + Cu o (s)
Sulfaatti on sivutietoinen, kun taas metallit vaihtavat elektroneja.
Galvaanisen kennon symbolinen esitys
Kuvan 2 galvaaninen kenno esitetään symbolisesti seuraavasti:
Zn o (s) -Zn 2+ (aq) (1 M) - Cu 2+ (aq) (1 M) -Co o (s)
Sopimuksen mukaan metalli, joka hapettaa ja muodostaa anodin (-), on aina sijoitettu vasemmalle, ja sen ioni vesipitoisessa tilassa on erotettu palkilla (-). Anodinen puolisolu erotetaan katodisesta toisistaan kahdella palkilla (-), jotka edustavat suolaa. Oikealla puolella on metallipuolikenno, joka on pelkistetty ja muodostaa katodin (+).
Galvaanisen kennon symbolisessa esityksessä äärimmäinen vasen on aina hapettunut metalli ja pelkistynyt metalli sijoitetaan äärioikealle (kiinteässä tilassa). On huomattava, että kuviossa 2 puolisolut ovat käänteisessä asennossa tavanomaiseen symboliseen esitykseen nähden.
Sovellukset
Kun tunnetaan eri metallien vakiohapetuspotentiaalit, on mahdollista määrittää sähkömoottorivoima, jonka näillä metalleilla rakennettu galvaaninen kenno tuottaa.
Tässä osiossa käytämme edellisissä kappaleissa mainittua laskeaksesi muilla metalleilla rakennetun kennon nettomääräisen sähkövoiman.
Esimerkiksi sovelluksesta pidämme galvaanista kennoa rautaa (Fe) ja kuparia (Cu). Tietoina annetaan seuraavat pelkistysreaktiot ja niiden tavanomaiset pelkistyspotentiaalit, toisin sanoen 25ºC: n lämpötilassa ja 1M: n konsentraatiossa:
Fe 2+ (ac) + 2 e - → Fe (t). E1- verkko = -0,44 V
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu (s). E2 punainen = +0,34 V
Pyydetään löytämään seuraavan galvaanisen kennon tuottama nettoelektroniikkavoima:
Fe (s) -Fe 2+ (aq) (1 M) - Cu2 + (aq) -Cu (s)
Tässä kennossa rauta hapettuu ja on galvaanisen kennon anodi, kun taas kupari pelkistää ja on katodi. Raudan hapetuspotentiaali on yhtä suuri kuin sen pelkistyspotentiaali, mutta on sen vastainen, ts. E1 oksidi = +0,44.
Tämän galvaanisen kennon tuottaman sähkövoiman saamiseksi lisäämme raudan hapetuspotentiaalin kuparin pelkistyspotentiaalilla:
emf = E1 oksidi + E2 punainen = -E1 punainen + E2 punainen = 0,44 V + 0,34 V = 0,78 V.
Galvaaninen kenno jokapäiväisessä elämässä
Päivittäiseen käyttöön tarkoitettu galvaaninen kenno on muodoltaan hyvin erilainen kuin didaktinen malli, mutta niiden toimintaperiaate on sama.
Yleisimmin käytetty solu on 1,5 V alkaliparisto sen esityksissä. Etunimi tulee, koska se on sarja soluja, jotka on kytketty sarjaan emf: n lisäämiseksi.
Ladattavat litium-akut perustuvat myös samaan toimintaperiaatteeseen kuin galvaaniset kennot ja niitä käytetään älypuhelimissa, kelloissa ja muissa laitteissa.
Samoin autojen, moottoripyörien ja veneiden lyijyakut ovat 12 V: n ja perustuvat samaan galvaanisen kennon toimintaperiaatteeseen.
Galvaanisia soluja käytetään estetiikassa ja lihasten uudistamisessa. On kasvohoitoja, jotka koostuvat virran johtamisesta kahden elektrodin läpi, jotka ovat telan tai pallon muotoisia ja puhdistavat ja sävyttävät ihoa.
Nykyisiä pulsseja käytetään myös uupumuksen tilassa olevien ihmisten lihaksen uudistamiseen.
Kotitekoisen galvaanisen kennon rakentaminen
Kotitekoisen galvaanisen kennon rakentamiseksi on monia tapoja. Yksi yksinkertaisimmista on etikan käyttö liuoksena, teräsnaulat ja kuparilangat.
tarvikkeet
- Kertakäyttöiset muovikupit
-Valkoviinietikka
-Kaksi teräsruuvia
-Kaksi palloa kuparilankaa (ei eristystä tai lakkaa)
- volttimittari
Prosessi
-Täytä ¾ osaa lasista etikalla.
-Kiinnitä kaksi teräsruuvia useilla kierroksilla lankaa jättäen palan lankaa kelaamaan.
Kuparilangan kelaamaton pää taivutetaan käänteiseksi U-muotoon siten, että se lepää lasin reunalla ja ruuvit upotetaan etikkaan.
Kuva 3. Kotitekoinen galvaaninen kenno ja yleismittari. Lähde: youtube.com
Toinen kuparilangan pala on myös taivutettu käänteisessä U: ssa ja ripustetaan lasin reunaan asentoon, joka on vastakkaisesti upotettujen ruuvien kanssa, niin että osa kuparista on etikan sisällä ja kuparilangan toinen osa on ulkopuolella. lasista.
Voltimetrijohtimien vapaat päät on kytketty mittaamaan tämän yksinkertaisen kennon tuottaman sähkövoiman. Tämän tyyppisten solujen emf on 0,5 V. Alkalipariston emf tasoittamiseksi on tarpeen rakentaa vielä kaksi kennoa ja yhdistää kolme sarjaan, jotta saadaan 1,5 V akku
Viitteet
- Borneo, R. Galvaaniset ja elektrolyyttiset kennot. Palautettu osoitteesta: classdequimica.blogspot.com
- Cedrón, J. Yleinen kemia. PUCP. Palautettu osoitteesta: corinto.pucp.edu.pe
- Farrera, L. Johdanto sähkökemiaan. Fysikaaliskemian laitos UNAM. Palautettu: depa.fquim.unam.mx.
- Wikipedia. Sähkökemiallinen kenno. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.com.
- Wikipedia. Galvaaninen kenno. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.com.