4.1 Γαλβανικά στοιχεία

Κάθε αντίδραση οξειδοαναγωγής είναι μία μεταφορά ηλεκτρονίων -πραγματική ή φαινομενική- η οποία γίνεται όταν έλθουν σε επαφή τα αντιδρώντα σώματα. Για παράδειγμα, αν βυθίσουμε ένα φύλλο Zn (τσίγκος) σε υδατικό διάλυμα που περιέχει Cu2+ π.χ. CuSO4·5H2O (γαλαζόπετρα), τα ιόντα Cu2+ του διαλύματος έρχονται σε επαφή με το μεταλλικό Zn και γίνεται η αυθόρμητη αντίδραση, που είναι εξώθερμη: [pic] Η ενέργεια που ελευθερώνεται υπό τη μορφή θερμότητας δε χρησιμοποιείται πουθενά δηλαδή «πάει χαμένη». Ας δούμε τώρα πως θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή την ενέργεια για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος δηλαδή, να τη μετατρέψουμε σε ηλεκτρική ενέργεια.

ΣΧΗΜΑ 4.1 Φύλλο Zn βυθίζεται σε υδατικό διάλυμα που περιέχει Cu2+. Τα ιόντα Cu2+ του διαλύματος εκφορτίζονται και επικάθονται στην επιφάνεια του μεταλλικού Zn καθώς και στον πυθμένα του δοχείου. Παράλληλα το διάλυμα αρχίζει να αποχρωματίζεται.

Η αντίδραση οξειδοαναγωγής: [pic], μπορεί θεωρητικά να χωριστεί σε δύο ημιαντιδράσεις, μία οξείδωση και μία αναγωγή: [pic] ημιαντίδραση οξείδωσης, [pic] ημιαντίδραση αναγωγής Αν φροντίσουμε οι δύο αυτές ημιαντιδράσεις να γίνουν χωριστά, όπως φαίνεται στη διάταξη του σχήματος 4.2., τότε τα ηλεκτρόνια που ελευθερώνονται στο έλασμα που συμβαίνει η οξείδωση του Zn, κινούνται μέσω του σύρματος προς το έλασμα του Cu, όπου συμβαίνει η αναγωγή των Cu2+. Κατ΄ αυτόν τον τρόπο παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Η συσκευή του σχήματος 4.2 ονομάζεται στοιχείο Daniell προς τιμήν του John Daniell, ο οποίος την εφεύρε το 1836. Μια πληρέστερη μορφή του γαλβανικού στοιχείου του Daniell είναι αυτή που φαίνεται στο σχήμα 4.3. Η διάταξη αυτή αποτελείται από δύο δοχεία, το ένα περιέχει διάλυμα Zn2+, όπου εμβαπτίζεται έλασμα μεταλλικού Zn (ηλεκτρόδιο ή ημιστοιχείο Zn / Zn2+) και το άλλο Cu2+ με μεταλλικό Cu (ηλεκτρόδιο ή ημιστοιχείο Cu/ Cu2+). Τα δύο διαλύματα είναι συνδεδεμένα με ένα σωλήνα που έχει σχήμα ανάποδου ύψιλον και ο οποίος περιέχει συνήθως διάλυμα KNO3 ή KCl ή NH4Cl ή NH4NO3. Ο σωλήνας με το περιεχόμενό του ονομάζεται ηλεκτρολυτικός σύνδεσμος ή γέφυρα άλατος. Το διάλυμα που περιέχεται στον ηλεκτρολυτικό σύνδεσμο δε διαρρέει γιατί εμποδίζεται από ένα πορώδες υλικό, όπως πορώδη ύαλο (fritte) ή υαλοβάμβακα.

ΣΧΗΜΑ 4.2 Το στοιχείο Daniell αποτελείται από φύλλα Zn και Cu βυθισμένα σε υδατικό διάλυμα που περιέχει Cu2+ π.χ. CuSO4 και ιόντα Zn2+ π.χ. ZnSO4, αντίστοιχα. Τα δύο διαλύματα έρχονται σε επαφή μεταξύ τους μέσω πορώδους διαφράγματος, με τη βοήθεια του οποίου κλείνει το ηλεκτρικό κύκλωμα.

Για το γαλβανικό στοιχείο πρέπει συνοπτικά να θυμόμαστε ότι οξείδωση λαμβάνει χώρα στην άνοδο και αναγωγή στην κάθοδο. Το ηλεκτρικό κύκλωμα κλείνει με την κίνηση ιόντων μέσα στο διάλυμα και στον ηλεκτρολυτικό σύνδεσμο. Άνοδος λοιπόν είναι το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται οξείδωση και κάθοδος αυτό στο οποίο γίνεται αναγωγή. Και αυτό ανεξάρτητα με την πολικότητα (±) του ηλεκτροδίου. Ο ηλεκτρολυτικός σύνδεσμος ονομάζεται και γέφυρα άλατος (salt bridge).

Όταν συνδέσουμε τα δύο ηλεκτρόδια με έναν αγωγό, στον οποίο έχει παρεμβληθεί ένα βολτόμετρο, διαπιστώνουμε ότι συμβαίνουν τα εξής: το φύλλο του μεταλλικού Zn διαλύεται ενώ αποτίθεται Cu στο φύλλο του μεταλλικού Cu. Η συγκέντρωση Zn2+ αυξάνεται στο διάλυμα των Zn2+ και η συγκέντρωση Cu2+ ελαττώνεται στο διάλυμα Cu2+. Αναλυτικά δηλαδή συμβαίνουν τα εξής: Άνοδος (-): οξείδωση στο ηλεκτρόδιο Zn, [pic] Κάθοδος (+): αναγωγή στο ηλεκτρόδιο Cu, [pic] Τα ηλεκτρόνια κινούνται από το ηλεκτρόδιο του Zn στο ηλεκτρόδιο του Cu. Οι αντιδράσεις αυτές συνεχίζονται όσο το κύκλωμα είναι κλειστό και τα αντιδρώντα σώματα δεν έχουν εξαντληθεί.

ΣΧΗΜΑ 4.3 Διαγραμματική απεικόνιση του στοιχείου Daniell και των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα. Τα δύο διαλύματα συνδέονται με ηλεκτρολυτικό σύνδεσμο.