เซลล์กัลวานิก

เซลล์กัลวานิกเปลี่ยนพลังงานเคมีของปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดได้เองเป็นพลังงานไฟฟ้า การแยกออกซิเดชันและรีดักชันไว้คนละขั้วทำให้อิเล็กตรอนไหลผ่านวงจรภายนอกได้

จำแอโนดและแคโทดจากปฏิกิริยา

แอโนดคือที่เกิดออกซิเดชัน ส่วนแคโทดคือที่เกิดรีดักชัน นิยามนี้ใช้ทั้งเซลล์กัลวานิกและเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ในเซลล์กัลวานิกทั่วไป แอโนดเป็นขั้วลบและแคโทดเป็นขั้วบวก

สำหรับ Zn/Cu: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ ที่แอโนด และ Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu ที่แคโทด อิเล็กตรอนจึงไหลจาก Zn ไป Cu ผ่านสายภายนอก

ศักย์เซลล์

ถ้าตารางให้ศักย์รีดักชันมาตรฐานทั้งคู่ ใช้ E°_เซลล์ = E°_แคโทด − E°_ขั้วบวก ค่า E°_เซลล์ บวกสำหรับทิศที่เขียนสัมพันธ์กับ ΔG° ลบผ่าน ΔG° = −กศน°_เซลล์

การคูณสมการครึ่งปฏิกิริยาด้วยสัมประสิทธิ์ไม่ทำให้ E° ถูกคูณ เพราะศักย์เป็นปริมาณเข้ม ส่วนจำนวนอิเล็กตรอน n ไปปรากฏในความสัมพันธ์กับ พลังงานกิ๊บส์

บทบาทของสะพานเกลือ

เมื่อแอโนดสร้างไอออนบวกและแคโทดกำจัดไอออนบวก จะเกิดการแยกประจุถ้าไม่มีการเคลื่อนที่ของไอออน สะพานเกลือช่วยรักษาความเป็นกลางทางไฟฟ้าของแต่ละครึ่งเซลล์

อิเล็กโทรไลต์ในสะพานเกลือควรเฉื่อยต่อทั้งสองครึ่งเซลล์ ถ้าเกิดตะกอนหรือสารเชิงซ้อนอาจเปลี่ยนองค์ประกอบและศักย์จริงได้

สมการ เนิร์สต์

เมื่อไม่อยู่ในสภาวะมาตรฐาน E = E° − (RT/nF)ln Q ที่ 25 °C เขียนได้ประมาณ E = E° − (0.05916 V/n)เข้าสู่ระบบ₁₀Q เมื่อความเข้มข้นหรือความดันเปลี่ยน Q เปลี่ยนและ E เปลี่ยนตาม

ที่สมดุล E = 0 และ Q = K ทำให้เชื่อม E°, ΔG° และ K เข้าด้วยกันได้

ค่าที่วัดจริง

โวลต์มิเตอร์ใกล้วงจรเปิดวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าเคมีระหว่างขั้ว แต่เมื่อจ่ายกระแสจริง ความต้านทานภายใน มีศักยภาพมากเกินไป และ โพลาไรซ์ความเข้มข้น ทำให้แรงดันปลายขั้วต่ำกว่าค่าอุดมคติได้

ตรวจให้ลึกขึ้น

สัญกรณ์เซลล์ใช้ | แทนขอบเขตระหว่างเฟสและ || แทนสะพานเกลือ เช่น Zn(s)|Zn²⁺(อค)||Cu²⁺(อค)|Cu(s) การเขียนซ้าย–ขวาต้องสอดคล้องกับทิศปฏิกิริยาที่เลือก แอโนด แคโทด และเครื่องหมาย E_เซลล์ ค่าศักย์มาตรฐานในตารางเป็นค่าภาวะใกล้สมดุล ไม่ได้บอกกำลังไฟฟ้าที่แบตเตอรี่จริงจ่ายได้โดยตรง เมื่อมีกระแสสูง ความต้านทานภายใน มีศักยภาพมากเกินไป และการขนส่งมวลทำให้แรงดันปลายขั้วลดลง ดังนั้น E° สูงเพียงอย่างเดียวไม่รับประกันกำลังสูงหรือประสิทธิภาพดี

เมื่อเขียนแผนภาพเซลล์ควรแยกทิศการไหลของอิเล็กตรอนออกจากทิศการเคลื่อนของไอออน อิเล็กตรอนเดินในวงจรโลหะภายนอก ส่วนไอออนเดินในสารละลายและสะพานเกลือ ถ้าพยายามให้อิเล็กตรอน 'ผ่านสะพานเกลือ' แสดงว่าแบบจำลองวงจรผิดตั้งแต่ต้น

สัญกรณ์เซลล์และแรงดันจริง

สัญกรณ์เซลล์ใช้ | แทนขอบเขตระหว่างเฟส และ || แทนสะพานเกลือ เช่น Zn(s)|Zn²⁺(อค)||Cu²⁺(อค)|Cu(s) การกำหนดซ้าย–ขวาต้องสอดคล้องกับทิศปฏิกิริยา แอโนด แคโทด และเครื่องหมายของ E_เซลล์

ค่าศักย์มาตรฐานในตารางเป็นค่าภาวะใกล้สมดุล ไม่ได้บอกกำลังไฟฟ้าที่แบตเตอรี่จริงจ่ายได้โดยตรง เมื่อมีกระแส ความต้านทานภายใน มีศักยภาพมากเกินไป และการขนส่งมวลทำให้แรงดันปลายขั้วต่ำลงได้

แบบฝึกหัด

เซลล์ Zn/Cu

E°(Zn²⁺/Zn)=−0.76 V, E°(Cu²⁺/Cu)=+0.34 V

เฉลย: E°เซลล์ = 1.10 V; Zn เป็นแอโนด Cu เป็นแคโทด

ทิศอิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนไหลทิศใด?

เฉลย: จาก Zn แอโนดไป Cu แคโทดในวงจรภายนอก

คูณสมการ

ถ้าคูณครึ่งปฏิกิริยา Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu ด้วย 2 ค่า E° เปลี่ยนไหม?

เฉลย: ไม่เปลี่ยน