Galvaniske celler

Byg cellen af to halvreaktioner

Oxidation ved anoden, reduktion ved katoden

Daniell-cellen adskiller oxidation og reduktion, som ved direkte kontakt ville udveksle elektroner lokalt. Zink oxideres, mens Cu²⁺ reduceres ved kobberelektroden.

Oxidation foregår altid ved anoden, reduktion ved katoden. I en galvanisk celle forlader elektroner spontant anoden og bevæger sig gennem det ydre kredsløb til katoden.

Saltbroen lukker ionkredsløbet

Hvorfor iontransport er nødvendig

Metaltråden leder elektroner, men uden ionbevægelse ville strømmen hurtigt stoppe. Når Zn oxideres, opbygges positiv ladning i den halvdel; ved kobberhalvcellen forbruges Cu²⁺.

Saltbroen tillader ionvandring: anioner går mod anodesiden, kationer mod katodesiden. Saltbroen leder ikke elektroner. Dens funktion er at bevare elektroneutraliteten, mens reaktionen fortsætter.

Cellenotation viser den fysiske rækkefølge af faser

Sådan læses fasegrænserne

En enkelt streg markerer en fasegrænse; dobbeltstregen repræsenterer væskeforbindelsen eller saltbroen. Læst fra venstre mod højre følger notationen den fysiske vej gennem cellen.

Cellespænding og spontanitet

Fra spænding til fri energi

Standardelektrodepotentialer tabelleres som reduktionspotentialer. For en galvanisk celle:

Positiv E_celle svarer til en spontan reaktion i den skrevne retning under de angivne betingelser. Termodynamisk gælder ΔG = −nFE_celle.

Et elektrodepotentiale må ikke ganges med en støkiometrisk koefficient. Potentiale er intensivt: elektronafstemning ændrer reaktionsmængden, ikke spændingen for halvreaktionen.

Sammensætningen ændrer spændingen: Nernst-ligningen

E° gælder standardtilstande. Ved andre aktiviteter korrigerer reaktionskvotienten den aktuelle drivkraft:

For Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu vil mere Zn²⁺ eller mindre Cu²⁺ øge Q og sænke E. Under afladning falder cellens mulighed for at levere elektrisk arbejde.

Ved ligevægt er ΔG=0 og E=0. Nernst-ligningen er derfor ligevægtstermodynamik udtrykt i volt.

Ligevægtspotentiale og spænding under belastning

Den termodynamiske spænding svarer til den reversible grænse og tilnærmes ved tomgangsmåling med næsten nul strøm. Når cellen driver en belastning, er polspændingen normalt lavere.

Indre modstand, ladningsoverførselskinetik og massetransport giver tab og overpotentialer. En stærkt gunstig reaktion garanterer derfor ikke samme spænding eller effekt i en virkelig celle.

Galvanisk og elektrolytisk: definitionerne ændres ikke

Anode betyder oxidation, og katode betyder reduktion i begge celletyper. Det er elektrodernes fortegn og kilden til drivkraften, der skifter.

I en spontan galvanisk celle er anoden negativ og katoden positiv. I en elektrolytisk celle tvinger en ekstern spændingskilde den ikke-spontane retning og vender fortegnene.

Øvelser

Elektroder

I Mg/Mg²⁺ || Ag⁺/Ag: hvilken elektrode er anoden, og hvilken vej løber elektronerne?

Standardspænding

E°(Ag⁺/Ag)=+0,80 V og E°(Cu²⁺/Cu)=+0,34 V. Beregn E° når Ag⁺ reduceres og Cu oxideres.

Saltbro

Hvorfor falder strømmen hurtigt, hvis saltbroen fjernes, selv om metaltråden er intakt?