Galvanski člen

Vrste kemičnih celic

• Enostavna celica
• Suha celica
• Mokra celica
• Gorivna celica
• Sončna celica
• Električna celica

Elektrokemijske celice

Izjemno pomemben razred oksidacijskih in redukcijskih reakcij se uporablja za pridobivanje uporabne električne energije v baterijah. Enostavno elektrokemijsko celico lahko naredimo iz kovin bakra in cinka z raztopinami njunih sulfatov. Med reakcijo se lahko elektroni prenašajo s cinka na baker po električno prevodni poti kot uporaben električni tok.

Elektrokemijsko celico lahko ustvarimo tako, da kovinske elektrode postavimo v elektrolit, kjer kemijska reakcija uporablja ali ustvarja električni tok. Elektrokemijske celice, ki ustvarjajo električni tok, se imenujejo voltaične ali galvanske celice, običajne baterije pa so sestavljene iz ene ali več takih celic. V drugih elektrokemijskih celicah se za sprožitev kemijske reakcije, ki ne bi potekala spontano, uporablja zunanji električni tok. Takšne celice se imenujejo elektrolitske celice.

Voltaične celice

Elektrokemijsko celico, ki povzroča zunanji pretok električnega toka, je mogoče ustvariti z uporabo dveh različnih kovin, saj se kovine razlikujejo po tem, da so nagnjene k izgubi elektronov. Cink hitreje izgublja elektrone kot baker, zato lahko cink in baker v raztopinah njunih soli povzročita pretok elektronov po zunanji žici, ki vodi od cinka do bakra. Ko atom cinka dobi elektrone, postane pozitiven ion in preide v vodno raztopino, pri čemer se masa cinkove elektrode zmanjša. Na bakrovi strani prejeta dva elektrona omogočita pretvorbo bakrovega iona iz raztopine v nenabit bakrov atom, ki se usede na bakrovo elektrodo in poveča njeno maso. Obe reakciji sta običajno zapisani

Zn(s) --> Zn²⁺(aq) + 2e

Cu²⁺(aq) + 2e^- --> Cu(s)

Črke v oklepajih so le opomnik, da cink preide iz trdne snovi (s) v vodno raztopino (aq) in obratno za baker. V elektrokemijskem jeziku je značilno, da se ta dva procesa imenujeta "polreakciji", ki potekata na obeh elektrodah.

Da bi voltna celica še naprej proizvajala zunanji električni tok, se morajo sulfatni ioni v raztopini premikati z desne na levo, da se uravnovesi tok elektronov v zunanjem krogu. Kovinskim ionom je treba preprečiti gibanje med elektrodama, zato mora neka porozna membrana ali drug mehanizem zagotoviti selektivno gibanje negativnih ionov v elektrolitu z desne na levo.

Potrebna je energija, da se elektroni premaknejo s cinkove na bakreno elektrodo, količina energije na enoto naboja, ki je na voljo v voltaičnem členu, pa se imenuje elektromotorična sila (emf) člena. Energija na enoto naboja je izražena v voltih (1 volt = 1 džul/kumb).

Jasno je, da je za pridobivanje energije iz celice treba pridobiti več energije, ki se sprosti pri oksidaciji cinka, kot je potrebno za redukcijo bakra. Celica lahko iz tega procesa pridobi končno količino energije, saj je proces omejen s količino razpoložljivega materiala v elektrolitu ali v kovinskih elektrodah. Če je na primer na bakrovi strani en mol sulfatnih ionov SO₄^2-, je proces omejen na prenos dveh molov elektronov skozi zunanji krog. Količina električnega naboja, ki ga vsebuje mol elektronov, se imenuje Faradayeva konstanta in je enaka Avogadrovemu številu, pomnoženemu z elektronskim nabojem:

Faradayeva konstanta = F = _ANe = 6,022 x 10²³ x 1,602 x 10^-19 = 96,485 Kulomba/mola

Energijski izkoristek voltaične celice je podan z napetostjo celice, pomnoženo s številom molekul prenesenih elektronov in Faradayevo konstanto.

Proizvodnja električne energije = nFE

Celični emf E _celllahko predvidimo iz standardnih elektrodnih potencialov za obe kovini. Za cink/baker celico v standardnih pogojih je izračunani potencial celice 1,1 volta.

Enostavna celica

Preprosta celica ima običajno plošče iz bakra (Cu) in cinka (Zn) v razredčeni žveplovi kislini. Cink se raztopi, na bakreni ploščici pa se pojavijo mehurčki vodika. Ti vodikovi mehurčki ovirajo pretok električnega toka, zato lahko preprost člen uporabljamo le kratek čas. Za zagotavljanje enakomernega toka je potreben depolarizator (oksidacijsko sredstvo), ki oksidira vodik. V Danielovem členu je depolarizator bakrov sulfat, ki zamenja vodik za baker. V Leclanchevi bateriji je depolarizator manganov dioksid, ki oksidira vodik v vodo.

Daniel celica

Angleški kemik John Frederick Daniell je leta 1836 razvil voltaično celico, ki je uporabljala cink in baker ter raztopine njunih ionov.

Ključ

• cinkova palica = negativni terminal
• ₂HSO₄ = elektrolit razredčene žveplove kisline
• Porozna posoda ločuje obe tekočini
• CuSO₄ = depolarizator bakrovega sulfata
• Bakreni lonček = pozitivni terminal