5.1 ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ - Daniel

 ΒΡΙΣΚΕΣΤΕ ΕΔΩ: ΑΡΧΗ > 5.ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ > 5.1 ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ - Daniell

Γαλβανικά στοιχεία

Τα γαλβανικά στοιχεία (ή βολταϊκά στοιχεία) πήραν το όνομά τους προς τιμήν των Ιταλών Φυσικών L.Galvani (1737-1798) και A.Volta (1745-1827), οι οποίοι ήταν πρωτοπόροι στην έρευνα των θεμάτων της Ηλεκτροχη­μείας. Είναι πειραματι­κές διατάξεις στις οποίες παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα με τη βοήθεια μιας αυθόρμη­της οξειδοαναγωγικής αντίδρασης. Γίνεται δηλαδή μετατροπή της χημικής ενέρ­γειας σε ηλεκτρική.

                  Γαλβανικό στοιχείο αποτελούμενο από τα ημιστοιχεία Α και Β

Ένα γαλβανικό στοιχείο αποτελείται από δύο ημιστοιχεία Α και Β, των οποίων τα ηλεκτρόδια (πόλοι του γαλβανικού στοιχείου) συνδέονται εξωτερικά με αγωγό (εξωτερική σύνδεση). Στον αγωγό μπορούμε να παρεμβάλλουμε βολτόμετρο (ώστε να μετράμε τη διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται στο γαλβανικό στοιχείο) ή αμπερόμετρο όπως φαίνεται στο σχήμα 1 και 2 (ώστε να μετράμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος). Τα δύο διαλύματα ενώνονται με γέφυρα άλατος (εσωτερική σύνδεση). Να τονιστεί ότι η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, είναι η κινητήρια δύναμη των αντιδράσεων και έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος (κίνηση ηλεκτρονίων) στο εξωτερικό κύκλωμα, αλλά και μέσα στα ημιστοιχεία και τη γέφυρα άλατος (κίνηση ιόντων).

        Σχηματική αναπαράσταση του γαλβανικού στοιχείου (μαύρο κουτί)

Στο παραπάνω σχήμα, ο όρος «μαύρο κουτί» χρησιμοποιείται για να δηλώσει ότι δε γνωρίζουμε τι περιέχει στο εσωτερικό του (δεν είναι ορατό). Έτσι το γαλβανικό στοιχείο στο μαύρο κουτί, αντικαθίσταται από το ισοδύναμό του, δηλαδή μια πηγή ηλεκτρεγερτικής δύναμης (ΗΕΔ).

Στοιχείο Daniell
Το στοιχείο του Daniell είναι ένα κλασικό παράδειγμα γαλβανικού στοιχείου, το οποίο χρησιμοποιείται για:
? την εξήγηση των δράσεων που λαμβάνουν χώρα σε ένα γαλβανικό στοιχείο
? την κατανόηση των εννοιών των γαλβανικών στοιχείων
? την κατανόηση των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής γενικότερα
? την πειραματική επίδειξη ή άσκηση σπουδαστών, επειδή είναι πολύ εύκολο να κατασκευαστεί στο εργαστήριο

Για τους λόγους που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο, στο κεφάλαιο αυτό, θα μελετάται διεξοδικά το στοιχείο Daniell, και στη συνέχεια θα καταλήγουμε σε γενικότερα συμπεράσματα για τα γαλβανικά στοιχεία.

Το γαλβανικό στοιχείο Daniell
Η διάταξη περιλαμβάνει δύο δοχεία τα οποία θα αποτελέσουν τα ημιστοιχεία. Στο πρώτο δοχείο εμβαπτίζουμε έλασμα Zn σε διάλυμα που περιέχει ιόντα Zn2+(aq) συγκέντρωσης 1 Μ (ZnSO4). Στο δεύτερο δοχείο εμβαπτίζουμε έλασμα Cu σε διάλυμα που περιέχει ιόντα Cu2+(aq) συγκέντρωσης 1 Μ (CuSO4).
Αν η θερμοκρασία των δύο δοχείων διατηρηθεί σταθερή και ίση με 25οC, τα δύο αυτά ημιστοιχεία είναι ουσιαστικά τα πρότυπα ημιστοιχεία του Zn και του Cu , αντίστοιχα. Η σύνδεση των δύο ελασμάτων γίνεται με ένα ηλεκτρικά αγώγιμο καλώδιο (εξωτερική σύνδεση). Η σύνδεση των δύο ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων (ZnSO4 και CuSO4) ονομάζεται εσωτερική σύνδεση και γίνεται με έναν ηλεκτρολυτικό σύνδεσμο, ο οποίος συνήθως είναι μια γέφυρα άλατος. Η γέφυρα άλατος μπορεί να είναι ένας υοειδής σωλήνας ή σωλήνας σε σχήμα π (πι) οι άκρες του οποίου κλείνονται με άγαρ-άγαρ, έναν πολυσακχαρίτη. Το άγαρ-άγαρ επιτρέπει την κίνηση των ιόντων διαμέσου του και επομένως την ηλεκτρική επαφή του διαλύματος άλατος της γέφυρας με τα διαλύματα των ημιστοιχείων, αλλά παρεμποδίζει την ανάμιξη των δύο διαλυμάτων. Η γέφυρα άλατος πληρώνεται με πυκνό διάλυμα άλατος (π.χ. KCl, NaNO3, KNO3), το οποίο επιλέγεται με κριτήριο την παραπλήσια (κατά το δυνατόν) ευκινησία των ιόντων του. Αντί για άγαρ-άγαρ, για το κλείσιμο των άκρων της γέφυρας άλατος, μπορεί να χρησιμοποιηθούν ειδικά κεραμικά πορώδη διαφράγματα στις δύο άκρες της γέφυρας.

Στο στοιχείο του Daniell η συνολική αντίδραση που λαμβάνει χώρα είναι:
 
Στην οξειδοαναγωγική αυτή αντίδραση έχουμε μεταφορά φορτίων (e-) από το έλασμα Zn προς το έλασμα του Cu. Η μεταφορά αυτή των ηλεκτρονίων γίνεται μέσω του εξωτερικού κυκλώματος και η ενέργεια που ελευθερώνεται από τη χημική αντίδραση (ΔG) προσδίδεται στα ηλεκτρόνια. Η ενέργεια είναι πλήρως εκμεταλλεύσιμη ως ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει το εξωτερικό κύκλωμα. Στο στοιχείο του Daniell επομένως έχουμε μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Το στοιχείο αυτό δεν είναι παρά μία μπαταρία της οποίας η ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) =1,1 V (όπως θα μελετηθεί παρακάτω) με θετικό πόλο το ηλεκτρόδιο του Cu και αρνητικό πόλο το ηλεκτρόδιο του Zn

             Το γαλβανικό στοιχείο του Daniell μπορούμε να το απεικονίσουμε με σύμβολα:

Κατά το συμβολισμό του, αριστερά γράφουμε το ημιστοιχείο με τη μικρότερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού (ηλεκτρόδιο Zn) και δεξιά το ημιστοιχείο με τη μεγαλύτερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού (ηλεκτρόδιο Cu). Τα δύο ημιστοιχεία χωρίζονται με μια διπλή κάθετη γραμμή (||), η οποία συμβολίζει τη γέφυρα άλατος. Στο κάθε ημιστοιχείο η αλλαγή φάσης μεταξύ ηλεκτροδίου και ηλεκτρολυτικού διαλύματος συμβολίζεται με μια απλή κάθετη γραμμή ( ? ).

Στο ηλεκτρόδιο που γράφεται πρώτο, το ηλεκτρόδιο γράφεται στην αρχή και μετά το ηλεκτρολυτικό διάλυμα, ενώ στο ηλεκτρόδιο που γράφεται δεύτερο, στην αρχή γράφεται το ηλεκτρολυτικό διάλυμα και στο τέλος το ηλεκτρόδιο.
Επίσης ο διαλύτης είναι το νερό, αλλά δε γράφεται, παρά μόνο δηλώνεται με τη μορφή υδατικού διαλύματος (aq) στα ιόντα.
Γενικά, για ένα γαλβανικό στοιχείο που αποτελείται από τα ημιστοιχεία Μ1(s)|M1x+(aq) και Μ2(s)|M2y+(aq) χρησιμοποιείται ο παρακάτω συμβολισμός:

 Προσομοίωση σε αναδυόμενο παράθυρο