GALVANICKÁ BUŇKA: ČÁSTI, JAK TO FUNGUJE, APLIKACE, PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Galvanický článek nebo galvanická buňka je typ elektrochemického článku, který se skládá ze dvou různých kovů ponořenými do dvou polovičních buňkách, ve kterých se sloučenina v roztoku aktivuje spontánní reakci.

Potom je jeden z kovů v jedné z polovičních buněk oxidován, zatímco kov v druhé poloviční buňce je redukován, čímž dochází k výměně elektronů prostřednictvím vnějšího obvodu. To umožňuje využít elektrický proud.

Obrázek 1. Schéma a části galvanického článku. Zdroj: corinto.pucp.edu.pe.

Název „galvanická buňka“ je na počest jednoho z průkopníků experimentování s elektřinou: italský lékař a fyziolog Luigi Galvani (1737-1798).

Galvani objevil v roce 1780, že pokud byly kabely na jednom konci spojeny kabely různých kovů a volné konce byly přivedeny do kontaktu s úderem (mrtvé) žáby, došlo ke kontrakci.

Nicméně první, kdo postavil elektrochemický článek na výrobu elektřiny, byl také italský Alessandro Volta (1745-1827) v roce 1800, a proto alternativní název voltaického článku.

Části galvanického článku

Části galvanického článku jsou znázorněny na obrázku 1 a jsou následující:

1.- Anodický semicell

2.- Anodická elektroda

3.- Anodické řešení

4.- Katodová semicell

5. - Katodová elektroda

6. Katodické řešení

7.- Solný most

8.- Kovový vodič

9.- Voltmetr

Funguje

K vysvětlení činnosti galvanického článku použijeme dolní:

Obrázek 2. Didaktický model galvanického článku. Zdroj: slideserve.com

Základní myšlenkou galvanického článku je to, že kov, který podléhá oxidační reakci, je fyzicky oddělen od kovu, který je redukován, a to tak, že k výměně elektronů dochází přes externí vodič, který umožňuje využít tok elektrického proudu, například pro zapnutí žárovky nebo LED.

Na obrázku 2, v levé polovině-buňky se nachází kovová měď (Cu), páska ponoří do roztoku síranu měďnatého (CuS0 ₄), zatímco v pravém poločlánku je zinek (Zn), páska ponoří roztok síranu zinečnatého (ZnSO ₄).

Je třeba poznamenat, že v každé poloviční buňce je kov každé z nich přítomen ve dvou oxidačních stavech: neutrální atomy kovu a kovové ionty soli stejného kovu v roztoku.

Pokud kovové pásky nejsou spojeny vnějším vodivým drátem, pak jsou oba kovy oxidovány samostatně ve svých příslušných buňkách.

Protože jsou však elektricky připojeny, dochází k oxidaci v Zn, zatímco v Cu dochází k redukční reakci. Je to proto, že stupeň oxidace zinku je vyšší než stupeň mědi.

Oxidovaný kov dává elektronům kov, který je redukován vnějším vodičem, a tento tok proudu může být využit.

Oxidační a redukční reakce

Reakce, ke které dochází na pravé straně mezi elektrodou zinkového kovu a vodným roztokem síranu zinečnatého, je následující:

Zn ^o _(y) + Zn ²⁺ (SO ₄) ² → 2 Zn ²⁺ _(AC) + (SO ₄) ^{2 +} 2 e ^-

Atom zinku (pevný) na povrchu anodové elektrody v pravé poloviční buňce, stimulovaný kladnými ionty zinku v roztoku, dává dva elektrony a je uvolněn z elektrody, přičemž přechází do vodného roztoku jako dvojnásobný kladný ion zinek.

Uvědomujeme si, že čistým výsledkem bylo, že neutrální atom zinku z kovu se ztrátou dvou elektronů stal iontem zinku, který se přidává do vodného roztoku, takže zinková tyč ztratila jeden atom a roztok získal pozitivní dvojitý ion.

Uvolněné elektrony se budou přednostně pohybovat vnějším drátem směrem ke kovu druhého pozitivně nabitého poločlánku (katoda +). Zinková tyčinka ztrácí hmotu, jak její atomy postupně přecházejí do vodného roztoku.

Oxidaci zinku lze shrnout takto:

Zn ^o _(s) → Zn ²⁺ _(ac) + 2 e ^-

Reakce, ke které dochází na levé straně, je podobná, ale měď ve vodném roztoku zachycuje dva elektrony (pocházející z druhé poloviny buňky) a je uložena na měděné elektrodě. Když atom zachytí elektrony, říká se, že je snížen.

Reakce redukce mědi je psána takto:

Cu ²⁺ _(ac) + 2 e ^- → Cu ^o _(s)

Měděná tyč získává hmotu, když ionty roztoku přecházejí na tyč.

Oxidace nastává na anodě (negativní), která odpuzuje elektrony, zatímco redukce nastává na katodě (pozitivní), která přitahuje elektrony. Výměna elektronů probíhá přes vnější vodič.

Solný most

Solný můstek vyrovnává náboje, které se hromadí ve dvou polovičních buňkách. Pozitivní ionty se hromadí v anodické poloviční buňce, zatímco v katodické buňce zůstává nadbytek negativních síranových iontů.

Pro solný můstek se používá roztok soli (jako je chlorid sodný nebo chlorid draselný), který nezasahuje do reakce, který je v zkumavce ve tvaru písmene U, jejíž konce jsou uzavřeny stěnou z porézního materiálu.

Jediným účelem solného můstku je, že ionty se filtrují do každé buňky, vyrovnávají nebo neutralizují přebytečný náboj. Tímto způsobem je vytvářen proud proudu solným můstkem, solnými ionty, které uzavírají elektrický obvod.

Oxidační a redukční potenciál

Standardními oxidačními a redukčními potenciály jsou ty, které se vyskytují na anodě a katodě při teplotě 25 ° C a s roztoky 1M koncentrace (jeden molární).

Pro zinek je jeho standardní oxidační potenciál E _ox = +0,76 V. Zatímco standardní redukční potenciál pro měď je E _red = +0,34 V. Elektromotorická síla (emf) produkovaná tímto galvanickým článkem je: emf = +0,76 V + 0,34 V = 1,1 V.

Globální reakci galvanického článku lze napsat takto:

Zn ^o _(s) + Cu ²⁺ _(aq) → Zn ²⁺ _(aq) + Cu ^o _(s)

S ohledem na síran je čistá reakce následující:

Zn ^o _(y) + Cu ²⁺ (SO ₄) ² 25 ° C → Zn ²⁺ (SO ₄) ^{2 +} Cu ^O _(y)

Síran je kolemjdoucí, zatímco kovy si vyměňují elektrony.

Symbolické znázornění galvanického článku

Galvanický článek na obrázku 2 je symbolicky znázorněn takto:

Zn ^o _(s) -Zn ²⁺ _(aq) (1M) - Cu ²⁺ _(aq) (1M) -Cu ^o _(s)

Obvykle je kov, který oxiduje a vytváří anodu (-), vždy umístěn vlevo a jeho iont ve vodném stavu je oddělen barem (-). Anodická poloviční buňka je od katodické oddělena dvěma sloupci (-) představujícími solný můstek. Na pravé straně je umístěna kovová poloviční buňka, která je redukována a tvoří katodu (+).

V symbolickém znázornění galvanického článku je krajní levou vždy kov, který je oxidován a kov, který je redukován, je umístěn na krajní pravici (v pevném stavu). Je třeba poznamenat, že na obrázku 2 jsou poloviční buňky v obrácené poloze vzhledem k obvyklému symbolickému znázornění.

Aplikace

Při znalosti standardních oxidačních potenciálů různých kovů je možné určit elektromotorickou sílu, kterou bude galvanický článek vytvořený s těmito kovy produkovat.

V této části použijeme to, co bylo uvedeno v předchozích částech, pro výpočet čisté elektromotorické síly článku vyrobeného z jiných kovů.

Jako příklad aplikace považujeme galvanický článek ze železa (Fe) a mědi (Cu). Jako data jsou uvedeny následující redukční reakce a jejich standardní redukční potenciál, tj. Při 25 ° C a 1M koncentraci:

Fe ²⁺ _(ac) + 2 e ^- → Fe _{(s). Síť} E1 = -0,44 V

Cu ²⁺ _(ac) + 2 e ^- → Cu _(s). E2 _červená = +0,34 V

Je žádáno najít čistou elektromotorickou sílu produkovanou následujícím galvanickým článkem:

Fe _(s) -Fe ²⁺ _(aq) (1M) - Cu ²⁺ _(aq) -Cu _(s)

V tomto článku železo oxiduje a je anodou galvanického článku, zatímco měď redukuje a je katodou. Oxidační potenciál železa je stejný jako jeho redukční potenciál, tj. E1 _oxd = +0,44.

K získání elektromotorické síly vytvořené tímto galvanickým článkem přidáme oxidační potenciál železa s redukčním potenciálem mědi:

emf = El _oxd + E2 _červená = -E1 _červená + E2 _červená = 0,44 V + 0,34 V = 0,78 V.

Galvanický článek v každodenním životě

Galvanické články pro každodenní použití se svým tvarem velmi liší od toho, co se používá jako didaktický model, ale jejich princip fungování je stejný.

Nejčastěji používaným článkem je 1,5 V alkalická baterie v různých provedeních. Křestní jméno přichází proto, že se jedná o soubor buněk zapojených do série za účelem zvýšení emf.

Lithiové dobíjecí baterie jsou rovněž založeny na stejném pracovním principu jako galvanické články a používají se v chytrých telefonech, hodinkách a dalších zařízeních.

Stejně tak olověné baterie pro automobily, motocykly a čluny mají 12 V a jsou založeny na stejném principu fungování galvanického článku.

Galvanické buňky se používají v estetice a při regeneraci svalů. Existují ošetření obličeje, které spočívají v aplikaci proudu dvěma elektrodami ve tvaru válce nebo koule, které čistí a tónují pokožku.

Současné pulzy se také používají k regeneraci svalů u lidí, kteří jsou ve stavu prostrace.

Konstrukce domácí galvanické buňky

Existuje mnoho způsobů, jak vytvořit domácí galvanickou buňku. Jedním z nejjednodušších je použití octa jako řešení, ocelové hřebíky a měděné dráty.

materiály

- Jednorázové plastové kelímky

-Bílý ocet

- Dva ocelové šrouby

- Dva kusy holého měděného drátu (bez izolace nebo laku)

-A voltmetr

Proces

- Naplňte ¾ části sklenice octem.

-Připojte dva ocelové šrouby pomocí několika závitů drátu, přičemž kousek drátu se uvolní.

Nevinutý konec měděného drátu je ohnut do převráceného tvaru U, takže spočívá na okraji skla a šrouby jsou ponořeny do octa.

Obrázek 3. Domácí galvanická buňka a multimetr. Zdroj: youtube.com

Další část měděného drátu je také ohnuta v obráceném U a je zavěšena na okraji skla v poloze diametrálně opačné k ponořeným šroubům, takže část mědi je uvnitř octa a druhá část měděného drátu je vně. skla.

Volné konce vodičů voltmetru jsou připojeny k měření elektromotorické síly vytvářené tímto jednoduchým článkem. Emf tohoto typu buněk je 0,5V. Aby bylo možné vyrovnat emf alkalické baterie, je nutné postavit další dva články a připojit se k nim tři v sérii, aby se získala 1,5V baterie

Reference

1. Borneo, R. Galvanické a elektrolytické články. Obnoveno z: classdequimica.blogspot.com
2. Cedrón, J. Obecná chemie. PUCP. Obnoveno z: corinto.pucp.edu.pe
3. Farrera, L. Úvod do elektrochemie. Oddělení fyzikální chemie UNAM. Obnoveno z: depa.fquim.unam.mx.
4. Wikipedia. Elektrochemický článek. Obnoveno z: es.wikipedia.com.
5. Wikipedia. Galvanický článek. Obnoveno z: es.wikipedia.com.