Mini-kurzus
Galvánelemek
A galvánelem spontán redoxireakció kémiai energiáját alakítja elektromos munkává úgy, hogy az oxidációt és redukciót térben elkülöníti. Az elektronok külső vezetéken haladnak az anódtól a katód felé, miközben az oldatokban ionmozgás tartja fenn a töltésegyensúlyt.
Anód és katód
Az anód mindig az oxidáció helye, a katód mindig a redukcióé. Galvánelemben az anód negatívabb potenciálú elektród, ahonnan elektronok indulnak a külső áramkörbe; a katódon ezek felhasználódnak. Az „anód = negatív” szabály nem univerzális minden elektrokémiai cellára, ezért a biztos definíció az oxidáció/redukció.
Daniell-elem
Zn|Zn²⁺ és Cu²⁺|Cu félcellák esetén az anódon Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, a katódon Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Az összreakció Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. A cinkelektród tömege csökkenhet, a rézelektród tömege nőhet, miközben az elektronok a cinktől a réz felé áramlanak.
Miért kell sóhíd?
Ha csak elektronok távoznának az anódtól, ott pozitív töltés halmozódna fel; a katódoldatban pedig a kationok fogyása miatt töltéskülönbség alakulna ki. A sóhíd vagy porózus elválasztó ionokat enged mozogni, így közel fenntartja az elektromos semlegességet anélkül, hogy a két oldat azonnal teljesen összekeveredne.
Cellafeszültség
Standard körülmények között E°cell=E°katód−E°anód, ha a táblázat redukciós potenciálokat közöl. Pozitív E°cell a megadott irányú standard reakció termodinamikai kedvezőségére utal. A feszültség nem „elfogyó elektronmennyiség”, hanem egységnyi töltésre jutó energiakülönbség.
Kapcsolat a Gibbs-energiával
ΔG=−nFE kapcsolat köti össze a kémiai termodinamikát és az elektromos munkát. Spontán galvánreakciónál E pozitív, ezért ΔG negatív. n az átadott elektronok mólszáma a kiegyenlített reakció szerint, F pedig a Faraday-állandó. Az egyenletből az is látszik, hogy a feszültség intenzív, nem egyszerűen anyagmennyiséggel arányos mennyiség.
Nem standard körülmények
A koncentrációk és gáznyomások megváltoztatják az elektródpotenciálokat; ezt a Nernst-egyenlet írja le. Ahogy a spontán reakció az egyensúly felé halad, a cellafeszültség csökken, és ideális reverzibilis esetben egyensúlynál nulla. A „standard potenciál” ezért csak meghatározott standard állapotra vonatkozik.
Áramirány és elektronáramlás
A hagyományos áramirányt történeti okból a pozitív töltés mozgásának irányaként definiáljuk, ezért a külső fémvezetőben ellentétes az elektronok tényleges mozgásával. Galvánelemnél az elektronok anódtól katódig haladnak, a konvencionális áram pedig a külső körben katódtól anód felé értendő.
Próbáld ki
Daniell-elemben melyik elektródon történik a Zn oxidációja, és merre haladnak az elektronok a külső vezetéken?
Megoldás
A cink az anódon oxidálódik. Az elektronok a Zn-anódtól a Cu-katód felé haladnak.