Galvaanielemendid
Galvaanielement eraldab spontaanse redoksreaktsiooni oksüdatsiooni ja redutseerumise eri poolrakkudesse, sundides elektronid liikuma välisahela kaudu ning võimaldades keemilisel vabal energial teha elektrilist tööd. Oksüdatsioon toimub anoodil, redutseerumine katoodil. Soolasild või poorne membraan juhib ioone, mitte elektrone, ja hoiab mõlemad lahused ligikaudu elektroneutraalsena.
Visuaalne mudel
Interaktiivne mudel
Danielli element kui põhinäide
Anoodil toimub Zn(s) → Zn²⁺(aq)+2e⁻ ja katoodil Cu²⁺(aq)+2e⁻ → Cu(s). Üldreaktsioon on Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Spontaanses galvaanielemendis on Zn-anood katoodi suhtes negatiivne ning elektronid liiguvad metalljuhtmes Zn-lt Cu-le. Anoode ja katoode määratletakse siiski reaktsiooni tüübi, mitte alati sama elektrilise märgi järgi.
Soolasild sulgeb ioonse vooluringi
Zn-poolel tekib lahusesse Zn²⁺, Cu-poolel eemaldub Cu²⁺ lahusest metallina. Kui vastaslaengud ei liiguks, tekiks kiiresti laengueraldus, mis takistaks edasist elektronivoolu. Lihtsas Danielli elemendis liiguvad anioonid anoodilahuse ja katioonid katoodilahuse suunas. Elektronid ei läbi soolasilda; need liiguvad välises metalljuhtmes.
Raku märgistus ja standardpotentsiaal
Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s) esitab faasid vasakult paremale. Tabelites on elektroodipotentsiaalid antud redutseerumispotentsiaalidena, seega E°rakk=E°kat−E°an. Kui Cu²⁺/Cu on +0,34 V ja Zn²⁺/Zn −0,76 V, saadakse +1,10 V. Potentsiaali ei korrutata reaktsioonikordajaga, sest potentsiaal on intensiivne suurus.
Gibbsi energia ja spontaanne suund
Seos ΔG=−nFE ühendab elektrilise ja keemilise liikumapaneva jõu. Positiivne E valitud reaktsioonisuunas annab negatiivse ΔG ning vastab spontaansusele antud tingimustes. n on reaktsioonivõrrandi ühe reaktsioonimooli kohta üle kantavate elektronide moolide arv. Tasakaalus kaob netoliikumapanev jõud ning nii ΔG kui ka raku potentsiaal vastava reaktsioonisuuna suhtes lähenevad nullile.
Nernsti võrrand ja koostise mõju
Standardpotentsiaal kehtib standardolekutes. Muude koostiste korral E=E°−(RT/nF)lnQ. Danielli elemendis suurendab [Zn²⁺] kasv või [Cu²⁺] vähenemine Q väärtust ja vähendab E-d. Tasakaalule lähenedes langeb pinge nulli suunas. Nernsti võrrand ei ole pelgalt elektriline parandus, vaid sama keemilise potentsiaali ja Gibbsi energia koostisesõltuvuse elektrokeemiline väljendus.
Harjutused
Danielli pinge
Arvuta E°cell, kui E°(Cu²⁺/Cu)=+0,34 V ja E°(Zn²⁺/Zn)=−0,76 V.
Lahendus: E°cell=0,34−(−0,76)=+1,10 V.
Elektronide suund
Kuhu liiguvad elektronid spontaanses Zn/Cu elemendis?
Lahendus: Zn-anoodilt välisjuhtme kaudu Cu-katoodile.
Gibbsi märk
Kui n=2 ja E=1,10 V, mis märk on ΔG-l?
Lahendus: ΔG=−nFE, seega ΔG on negatiivne ja kirjutatud reaktsioonisuund on spontaanne.