GALVANICKÁ BUNKA: ČASTI, AKO TO FUNGUJE, APLIKÁCIE, PRÍKLADY - CHÉMIA - 2025

Galvanický článok alebo galvanická bunka je typ elektrochemického článku, ktorý sa skladá z dvoch rôznych kovov ponorenými do dvoch polovičných bunkách, v ktorých sa zlúčenina v roztoku aktivuje spontánnu reakciu.

Potom sa jeden z kovov v jednej z polovičných buniek oxiduje, zatiaľ čo kov v druhej polovici bunky sa redukuje, čo vedie k výmene elektrónov cez vonkajší obvod. To umožňuje využiť elektrický prúd.

Obrázok 1. Schéma a časti galvanického článku. Zdroj: corinto.pucp.edu.pe.

Názov „galvanická bunka“ je na počesť jedného z priekopníkov experimentovania s elektrinou: talianskeho lekára a fyziológa Luigiho Galvaniho (1737 - 1798).

Galvani objavil v roku 1780, že ak sa káble rôznych kovov spojili na jednom konci a voľné konce sa dostali do kontaktu s úderom (mŕtvej) žaby, došlo k kontrakcii.

Prvým, kto postavil elektrochemický článok na výrobu elektriny, však bola talianska Alessandro Volta (1745 - 1827) v roku 1800, a teda aj alternatívny názov voltaického článku.

Časti galvanického článku

Časti galvanického článku sú znázornené na obrázku 1 a sú nasledujúce:

1.- Anodická polkruh

2.- Anodická elektróda

3.- Anodické riešenie

4.- Katódová polkruh

5. - Katódová elektróda

6. - Katódový roztok

7. - Soľný most

8.- Kovový vodič

9.- Voltmeter

fungovanie

Na vysvetlenie činnosti galvanického článku použijeme dolný článok:

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

Základnou myšlienkou galvanického článku je to, že kov, ktorý prechádza oxidačnou reakciou, je fyzicky oddelený od kovu, ktorý je redukovaný takým spôsobom, že k výmene elektrónov dochádza cez vonkajší vodič, ktorý umožňuje využiť tok elektrického prúdu, napríklad na zapnutie žiarovky alebo LED.

Na obrázku 2, v ľavej polovici-bunky sa nachádza kovová meď (Cu), páska ponorí do roztoku síranu meďnatého (CuS0 ₄ ), zatiaľ čo v pravom poločlánku je zinok (Zn), páska ponorí roztok síranu zinočnatého (ZnSO ₄ ).

Malo by sa poznamenať, že v každej polčlánku je kov každej z nich prítomný v dvoch oxidačných stavoch: atómy neutrálneho kovu a ióny kovu soli toho istého kovu v roztoku.

Ak kovové pásky nie sú spojené vonkajším vodivým drôtom, potom sa oba kovy oxidujú vo svojich bunkách samostatne.

Pretože sú však elektricky spojené, dochádza k oxidácii v Zn, zatiaľ čo v Cu dochádza k redukčnej reakcii. Je to preto, že stupeň oxidácie zinku je vyšší ako stupeň medi.

Oxidovaný kov dodáva elektrónom kov, ktorý je redukovaný vonkajším vodičom a tento tok prúdu môže byť využitý.

Oxidačné a redukčné reakcie

Reakcia, ktorá sa vyskytuje na pravej strane medzi elektródou kovového zinku a vodným roztokom síranu zinočnatého, je nasledovná:

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

Atóm zinku (pevný) na povrchu anódovej elektródy v pravej polovici bunky, stimulovaný kladnými iónmi zinku v roztoku, dáva dva elektróny a je oddelený od elektródy, pričom prechádza do vodného roztoku ako dvojitý kladný ión zinku.

Uvedomujeme si, že čistým výsledkom bolo, že neutrálny atóm zinku v kovu sa stratou dvoch elektrónov stal zinočnatým iónom, ktorý sa pridáva do vodného roztoku, takže zinková tyčinka stratila jeden atóm a roztok získal pozitívny dvojitý ión.

Uvoľnené elektróny sa budú prednostne pohybovať vonkajším drôtom smerom k kovu druhého pozitívne nabitého polčlánku (katóda +). Zinková tyčinka stráca hmotu, keď jej atómy postupne prechádzajú do vodného roztoku.

Oxidáciu zinku možno zhrnúť takto:

Zn ^o _(s) → Zn ²⁺ _(ac) + 2 e ^-

Reakcia, ktorá sa vyskytuje na ľavej strane, je podobná, ale meď vo vodnom roztoku zachytáva dva elektróny (z druhej polovice bunky) a ukladá sa na medenú elektródu. Keď atóm zachytí elektróny, hovorí sa, že je znížený.

Reakcia redukcie medi je napísaná takto:

Cu ²⁺ _(ac) + 2 e ^- → Cu ^o _(s)

Medená tyčinka získava hmotu, keď ióny roztoku prechádzajú do tyčinky.

Oxidácia nastáva pri anóde (negatívna), ktorá odpudzuje elektróny, zatiaľ čo k redukcii dochádza pri katóde (pozitívna), ktorá priťahuje elektróny. Výmena elektrónov sa uskutočňuje cez vonkajší vodič.

Soľný most

Soľný most vyrovnáva náboje, ktoré sa akumulujú v dvoch polčlánkoch. Pozitívne ióny sa hromadí v anodickej polovičnej bunke, zatiaľ čo v katódovej bunke zostáva nadbytok negatívnych síranových iónov.

Pre soľný mostík sa používa roztok soli (ako je chlorid sodný alebo chlorid draselný), ktorý nezasahuje do reakcie, ktorý je v obrátenej trubici v tvare U, ktorej konce sú uzavreté stenou z porézneho materiálu.

Jediným účelom soľného mostíka je to, že ióny sa filtrujú do každej bunky, vyrovnávajú alebo neutralizujú nadmerný náboj. Týmto spôsobom sa prúdi prúd cez soľný mostík, cez soľné ióny, ktorý uzatvára elektrický obvod.

Oxidačné a redukčné potenciály

Pod štandardnými oxidačnými a redukčnými potenciálmi sa rozumejú tie, ktoré sa vyskytujú pri anóde a katóde pri teplote 25 ° C a pri roztokoch s koncentráciou 1 M (jeden molárny).

Pre zinok je jeho štandardný oxidačný potenciál E _ox = +0,76 V. Zatiaľ čo štandardný redukčný potenciál pre meď je E _red = +0,34 V. Elektromotorická sila (emf) produkovaná týmto galvanickým článkom je : emf = +0,76 V + 0,34 V = 1,1 V.

Globálnu reakciu galvanického článku možno písať takto:

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

Ak sa vezme do úvahy síran, čistá reakcia je:

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

Síran je okoloidúci, zatiaľ čo kovy si vymieňajú elektróny.

Symbolické znázornenie galvanického článku

Galvanický článok na obrázku 2 je symbolicky znázornený takto:

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

Obvykle je kov, ktorý oxiduje a tvorí anódu (-), vždy umiestnený vľavo a jeho ión vo vodnom stave je oddelený stĺpcom (-). Anodická polovičná bunka je oddelená od katodickej bunky dvoma stĺpcami (-), ktoré predstavujú soľný mostík. Vpravo je umiestnená kovová polovičná bunka, ktorá je redukovaná a tvorí katódu (+).

V symbolickom znázornení galvanického článku je krajná ľavica vždy kovom, ktorý je oxidovaný a kov, ktorý je redukovaný, je umiestnený úplne vpravo (v pevnom stave). Je potrebné poznamenať, že na obrázku 2 sú polčlánky v opačnej polohe vzhľadom na obvyklé symbolické znázornenie.

aplikácia

Pri znalosti štandardných oxidačných potenciálov rôznych kovov je možné určiť elektromotorickú silu, ktorú vytvorí galvanický článok postavený z týchto kovov.

V tejto časti použijeme to, čo bolo uvedené v predchádzajúcich častiach, na výpočet čistej elektromotorickej sily článku vyrobeného z iných kovov.

Ako príklad aplikácie považujeme galvanický článok zo železa (Fe) a medi (Cu). Ako údaje sú uvedené nasledujúce redukčné reakcie a ich štandardný redukčný potenciál, to znamená pri 25 ° C a 1 M koncentrácii:

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

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

Žiada sa o zistenie čistej elektromotorickej sily vytvorenej týmto galvanickým článkom:

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

V tomto článku železo oxiduje a je anódou galvanického článku, zatiaľ čo meď redukuje a je katódou. Oxidačný potenciál železa je rovnaký ako jeho redukčný potenciál, to znamená, E1 _oxd = +0,44.

Na získanie elektromotorickej sily, ktorú vytvára tento galvanický článok, pridávame oxidačný potenciál železa s redukčným potenciálom medi:

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

Galvanický článok v každodennom živote

Galvanické články pre každodenné použitie majú tvar veľmi odlišný od toho, čo sa používa ako didaktický model, ale ich princíp fungovania je rovnaký.

Najčastejšie používaným článkom je 1,5 V alkalická batéria v rôznych prevedeniach. Prvé meno prichádza preto, že je to sada buniek zapojených do série, aby sa zvýšila emf.

Lítiové nabíjateľné batérie sú tiež založené na rovnakom pracovnom princípe ako galvanické články a sú tie, ktoré sa používajú v smartfónoch, hodinkách a iných zariadeniach.

Rovnakým spôsobom majú olovené batérie pre automobily, motocykle a člny 12V a sú založené na rovnakom princípe činnosti galvanického článku.

Galvanické bunky sa používajú v estetike a pri regenerácii svalov. Existujú ošetrenie tváre, ktoré spočívajú v aplikácii prúdu cez dve elektródy v tvare valca alebo gule, ktoré čistia a tónujú pokožku.

Súčasné pulzy sa tiež aplikujú na regeneráciu svalov u ľudí, ktorí sú v stave prostitúcie.

Konštrukcia domáceho galvanického článku

Existuje veľa spôsobov, ako vytvoriť domácu galvanickú bunku. Jedným z najjednoduchších je použitie octu ako roztoku, oceľových klincov a medených drôtov.

materiály

- Jednorazové plastové poháre

-Biely ocot

- Dve oceľové skrutky

- Dva kusy holého medeného drôtu (bez izolácie alebo laku)

- Voltmeter

proces

- Naplňte ¾ časti pohára octom.

- Spojte dve oceľové skrutky s niekoľkými závitmi drôtu, pričom kúsok drôtu zostane nezvinutý.

Nevinutý koniec medeného drôtu je ohnutý do obráteného tvaru U, takže spočíva na okraji skla a skrutky sú ponorené do octu.

Obrázok 3. Domáce galvanické články a multimetre. Zdroj: youtube.com

Ďalší kus medeného drôtu je tiež ohnutý v obrátenom U a je zavesený na okraji skla v polohe diametrálne proti ponoreným skrutkám, takže časť medi je vo vnútri octu a druhá časť medeného drôtu je vonku. skla.

Voľné konce elektród voltmetra sú spojené na meranie elektromotorickej sily, ktorú vytvára tento jednoduchý článok. Emf tohto typu buniek je 0,5V. Na vyrovnanie efektu alkalickej batérie je potrebné postaviť ďalšie dve články a pripojiť sa k nim tri v sérii, aby sa získala batéria 1,5 V

Referencie

1. Borneo, R. Galvanické a elektrolytické články. Obnovené z: classdequimica.blogspot.com
2. Cedrón, J. Všeobecná chémia. PUCP. Získané z: corinto.pucp.edu.pe
3. Farrera, L. Úvod do elektrochémie. Oddelenie fyzikálnej chémie UNAM. Získané z: depa.fquim.unam.mx.
4. Wikipedia. Elektrochemický článok. Obnovené z: es.wikipedia.com.
5. Wikipedia. Galvanický článok. Obnovené z: es.wikipedia.com.