- Galvaninio elemento dalys
- Veikiantis
- Oksidacijos ir redukcijos reakcijos
- Druskos tiltas
- Oksidacijos ir redukcijos galimybės
- Simbolinis galvaninio elemento vaizdas
- Programos
- Galvaninė ląstelė kasdieniame gyvenime
- Namų gamybos galvaninio elemento statyba
- medžiagos
- Procesas
- Nuorodos
Galvaninis ląstelių arba galvaninis elementas yra elektrocheminės kūnelių, kurie susideda iš dviejų skirtingų metalų, panardintų dviem puse ląstelių, kurioje bent tirpalo Junginys aktyvuoja spontaniškai reakciją.
Tuomet oksiduojasi vienas iš metalų, esančių vienoje iš pusių ląstelių, o metalas, esantis kitoje pusės ląstelėje, sukuria elektronų mainus per išorinę grandinę. Tai suteikia galimybę pasinaudoti elektros srove.
1 pav. Galvaninio elemento schema ir dalys. Šaltinis: corinto.pucp.edu.pe.
Pavadinimas „galvaninė ląstelė“ pagerbtas vieno iš eksperimentų su elektra pradininkų: italų gydytojo ir fiziologo Luigi Galvani (1737–1798).
1780 m. Galvani atrado, kad jei viename gale buvo sujungti skirtingų metalų kabeliai ir laisvieji galai buvo liečiami su (negyvos) varlės užuomazga, tada susitraukė.
Tačiau 1800 m. Italų kilmės Alessandro Volta (1745–1827) pirmasis sukonstravo elektrocheminį elementą, iš kurio gaminta elektra, taigi ir alternatyvus voltatinės celės pavadinimas.
Galvaninio elemento dalys
Galvaninio elemento dalys parodytos 1 paveiksle ir yra šios:
1.- Anodo puslaidonis
2.- anodinis elektrodas
3.- Anodinis tirpalas
4.- Katodo puslankis
5.- katodo elektrodas
6.- Katodinis sprendimas
7.- druskos tiltas
8.- metalinis laidininkas
9.- Voltmetras
Veikiantis
Galvaninio elemento veikimui paaiškinti naudosime apatinę:
2 pav. Galvaninio elemento didaktinis modelis. Šaltinis: slideserve.com
Pagrindinė galvaninio elemento idėja yra ta, kad metalas, kuriame vyksta oksidacijos reakcija, yra fiziškai atskirtas nuo redukuoto metalo tokiu būdu, kad elektronų mainai vyksta per išorinį laidininką, leidžiantį pasinaudoti elektros srovės srautu, pavyzdžiui, norint įjungti lemputę ar led.
2 paveiksle kairėje kameros pusėje yra metalinė vario (Cu) juosta, panardinta į vario sulfato tirpalą (CuS0 4 ), o dešiniajame puskamere yra cinko (Zn) juosta, panardinta į cinko sulfato (ZnSO 4 ) tirpalas .
Reikėtų pažymėti, kad kiekvienoje pusės ląstelėje kiekvieno metalo oksidacijos būsenos yra: neutralūs metalo atomai ir to paties metalo druskos metalo jonai tirpale.
Jei metalinės juostos nėra sujungtos išorine laidžia viela, tada abu metalai oksiduojami atskirai jų atitinkamose ląstelėse.
Kadangi jie yra sujungti elektra, atsitinka, kad oksidacija įvyks Zn, o Cu metu bus redukcijos reakcija. Taip yra todėl, kad cinko oksidacijos laipsnis yra didesnis nei vario.
Oksiduotas metalas suteikia metalams metalų, kurie redukuojami per išorinį laidininką, ir šis srovės srautas gali būti panaudotas.
Oksidacijos ir redukcijos reakcijos
Dešinėje pusėje tarp cinko metalo elektrodo ir vandeninio cinko sulfato tirpalo vyksta tokia reakcija:
Zn o (s) + Zn 2+ (SO 4 ) 2- → 2 Zn 2+ (ac) + (SO 4 ) 2- + 2 e -
Cinko atomas (kietas), esantis anodo elektrodo paviršiuje dešinėje kameroje, stimuliuojamas teigiamų tirpalo cinko jonų, atiduoda du elektronus ir yra atskirtas nuo elektrodo, pereinantis į vandeninį tirpalą kaip dvigubai teigiamas jonų cinko.
Mes suprantame, kad grynasis rezultatas buvo toks, kad neutralus cinko atomas iš metalo, praradus du elektronus, tapo cinko jonu, kuris pridedamas prie vandeninio tirpalo, todėl cinko lazdele prarado vieną atomą, o tirpalas įgijo teigiamą dvigubą joną.
Išlaisvinti elektronai labiau linkę judėti per išorinį laidą link kitos teigiamai įkrautos puskameros metalo (katodas +). Cinko juosta praranda masę, nes jos atomai pamažu patenka į vandeninį tirpalą.
Cinko oksidaciją galima apibendrinti taip:
Zn o (s) → Zn 2+ (ac) + 2 e -
Kairėje pusėje vykstanti reakcija yra panaši, tačiau varis vandeniniame tirpale sugauna du elektronus (iš kitos pusės ląstelės) ir nusėda ant vario elektrodo. Kai atomas paima elektronus, sakoma, kad jis sumažėja.
Vario redukcijos reakcija parašyta taip:
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu o (s)
Vario strypas įgauna masę, nes tirpalo jonai pereina į strypą.
Oksidacija vyksta prie anodo (neigiamas), kuris atstumia elektronus, o redukcija vyksta prie katodo (teigiamas), kuris traukia elektronus. Elektronų mainai vyksta per išorinį laidininką.
Druskos tiltas
Druskos tiltas subalansuoja krūvius, kurie kaupiasi dviejose pusėse esančiose ląstelėse. Teigiami jonai kaupiasi anodinėje pusės ląstelėje, o katodinėje ląstelėje lieka neigiamų sulfato jonų perteklius.
Į druskos tiltelį naudojamas druskos (pavyzdžiui, natrio chlorido arba kalio chlorido), nesikišančio į reakciją, tirpalas, esantis apverstos U formos vamzdelyje, kurio galai užkimšti porėtos medžiagos sienele.
Vienintelis druskos tilto tikslas yra, kad jonai filtruotųsi į kiekvieną ląstelę, subalansuodami arba neutralizuodami perteklinį krūvį. Tokiu būdu pro druskos tiltą, per druskos jonus, sukuriamas srovės srautas, kuris uždaro elektros grandinę.
Oksidacijos ir redukcijos galimybės
Standartiniai oksidacijos ir redukcijos potencialai suprantami kaip tokie, kurie atsiranda anode ir katode 25 ° C temperatūroje ir esant 1 M koncentracijos tirpalams (vienas molinis).
Cinko standartinis oksidacijos potencialas yra E ox = +0,76 V. Nors standartinis vario redukcijos potencialas yra E red = +0,34 V. Šio galvaninio elemento sukuriama elektromotorinė jėga (emf) yra : emf = +0,76 V + 0,34 V = 1,1 V.
Visuotinę galvaninio elemento reakciją galima užrašyti taip:
Zn o (s) + Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu o (s)
Atsižvelgiant į sulfatą, grynoji reakcija yra:
Zn o (s) + Cu 2+ (SO 4 ) 2- 25ºC → Zn 2+ (SO 4 ) 2- + Cu o (s)
Sulfatas yra pašalinis asmuo, o metalai keičiasi elektronais.
Simbolinis galvaninio elemento vaizdas
Galvaninė celė 2 paveiksle simboliškai pavaizduota taip:
Zn o (s) -Zn 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) (1M) -Cu o (s)
Pagal susitarimą metalas, kuris oksiduoja ir sudaro anodą (-), visada yra kairėje, o jo jonai vandeninėje būsenoje yra atskirti strypu (-). Anodo pusinė ląstelė yra atskirta nuo katodinės dviem juostomis (-), vaizduojančiomis druskos tiltą. Dešinėje dedama metalinė puskamera, kuri yra sumažinta ir sudaro katodą (+).
Simboliniame galvaninio elemento vaizdavime kraštutinis kairysis visada yra oksiduotas metalas, o redukuotas metalas dedamas į kraštutinę dešinę (kietoje būsenoje). Reikėtų pažymėti, kad 2 paveiksle pusės langeliai yra atvirkščioje padėtyje, palyginti su įprastu simboliniu vaizdavimu.
Programos
Žinant standartinius skirtingų metalų oksidacijos potencialus, galima nustatyti elektromotorinę jėgą, kurią sukels galvaninė celė, pastatyta su šiais metalais.
Šiame skyriuje mes taikysime tai, kas buvo pasakyta ankstesniuose skyriuose, kad apskaičiuotumėte ląstelės, pastatytos iš kitų metalų, grynąją elektromotorinę jėgą.
Taikymo pavyzdžiu laikome galvaninę geležies (Fe) ir vario (Cu) elementą. Kaip duomenys pateikiamos šios redukcijos reakcijos ir jų standartinis redukcijos potencialas, tai yra esant 25ºC ir 1M koncentracijai:
Fe 2+ (ac) + 2 e - → Fe (s). E1 tinklas = -0,44 V
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu (s). E2 raudona = +0,34 V
Prašoma surasti grynąją elektromotorinę jėgą, kurią sukuria ši galvaninė ląstelė:
Fe (s) -Fe 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) -Cu (s)
Šioje ląstelėje geležis oksiduojasi ir yra galvaninio elemento anodas, o varis redukuoja ir yra katodas. Geležies oksidacijos potencialas yra lygus, o ne priešingas jo redukcijos potencialui, tai yra, E1 oksidas = +0,44.
Norėdami gauti šio galvaninio elemento sukuriamą elektromotorinę jėgą, pridedame geležies oksidacijos potencialą ir vario redukcinį potencialą:
emf = E1 oksidas + E2 raudonas = -E1 raudonas + E2 raudonas = 0,44 V + 0,34 V = 0,78 V.
Galvaninė ląstelė kasdieniame gyvenime
Kasdieniniam naudojimui galvaninės ląstelės labai skiriasi savo forma, kuri naudojama kaip didaktinis modelis, tačiau jų veikimo principas yra tas pats.
Įvairiuose pristatymuose dažniausiai naudojama 1,5 V šarminė baterija. Pirmasis vardas yra todėl, kad tai ląstelių rinkinys, sujungtas iš eilės, siekiant padidinti emf.
Ličio įkraunamos baterijos taip pat yra pagrįstos tuo pačiu darbo principu kaip ir galvaniniai elementai ir yra naudojamos išmaniuosiuose telefonuose, laikrodžiuose ir kituose prietaisuose.
Tuo pačiu būdu, automobilių, motociklų ir valčių švino akumuliatoriai yra 12 V ir yra pagrįsti tuo pačiu galvaninio elemento veikimo principu.
Galvaninės ląstelės yra naudojamos estetikoje ir raumenų regeneracijoje. Yra veido procedūros, kurias sudaro srovės išleidimas per du elektrodus ritinėlio ar sferos pavidalu, kurie valo ir tonizuoja odą.
Dabartiniai impulsai taip pat naudojami norint atstatyti raumenis žmonėms, kurie yra protezavimo būsenoje.
Namų gamybos galvaninio elemento statyba
Yra daugybė būdų, kaip sukurti naminę galvaninę kamerą. Vienas iš paprasčiausių yra acto, kaip tirpalo, naudojimas, plieninės vinys ir variniai laidai.
medžiagos
- Vienkartiniai plastikiniai puodeliai
-Baltas actas
-Dvieji plieniniai varžtai
-Dvieji plikos varinės vielos gabalėliai (be izoliacijos ar lako)
-Voltmetras
Procesas
- Užpildykite ¾ stiklinės dalių actu.
- Sujunkite du plieninius varžtus keliais vielos posūkiais, palikdami vielos gabalą išvyniotą.
Vario vielos neuždengtas galas yra sulenktas į apverstą U formą, kad ji atsiremtų į stiklo kraštą, o varžtai būtų panardinami į actą.
3 pav. Namuose pagamintas galvaninis elementas ir multimetras. Šaltinis: youtube.com
Kitas vario vielos gabalas taip pat yra sulenktas apverstoje U ir pakabinamas ant stiklo krašto tokioje padėtyje, kuri yra diametraliai priešinga panardinamiems varžtams, kad viena vario dalis liktų acto viduje, o kita vario vielos dalis - išorėje. stiklinės.
Laisvieji voltmetro laidų galai yra sujungti, kad būtų galima išmatuoti elektromotorinę jėgą, kurią sukuria ši paprasta ląstelė. Šio tipo ląstelių emf yra 0,5 V. Norint suvienodinti šarminės baterijos emf, reikia sukurti dar du elementus ir sujungti tris iš eilės taip, kad būtų gauta 1,5 V baterija.
Nuorodos
- Borneo, R. Galvaniniai ir elektrolitiniai elementai. Atkurta iš: classdequimica.blogspot.com
- Cedrón, J. Bendroji chemija. PUCP. Atkurta iš: corinto.pucp.edu.pe
- Farrera, L. Įvadas į elektrochemiją. Fizikochemijos katedra UNAM. Atkurta iš: depa.fquim.unam.mx.
- Vikipedija. Elektrocheminė ląstelė. Atkurta iš: es.wikipedia.com.
- Vikipedija. Galvaninė ląstelė. Atkurta iš: es.wikipedia.com.