ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ, ΗΕΔ, ΓΕΦΥΡΑ ΑΛΑΤΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟ DANIELL, ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ, ΠΡΟΤΥΠΑ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ.

Transcript

1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ, ΗΕΔ, ΓΕΦΥΡΑ ΑΛΑΤΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟ DANIELL, ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΟΥ, ΠΡΟΤΥΠΑ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ. Διδακτικοί στόχοι: Μετά την ολοκλήρωση του 5ου κεφαλαίου οι φοιτητές θα πρέπει να είναι ικανοί να γνωρίζουν: 1 Τα μέρη του γαλβανικού στοιχείου, και ειδικώτερα του στοιχείου Daniell. 2 Πως ορίζεται η ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) ενός γαλβανικού στοιχείου 3 Ποιά είναι η φορά του ρεύματος στο γαλβανικό στοιχείο. 4 Ποιός είναι ό ρόλος της γέφυρας άλατος, και πως μεταβάλλεται η μάζα των ηλεκτροδίων. 5 Πώς καθορίζεται η άνοδος και η κάθοδος στο στοιχείο Daniell. 6 Ποιός είναι ο συμβολισμός ενός γαλβανικού στοιχείου. 7 Πώς να βρίσκουν την άνοδο και κάθοδο σε ένα γαλβανικό στοιχείο. 8 Πώς να περιγράφουν τη λειτουργία ενός γαλβανικού στοιχείου. 9 Ποιά είναι η χρησιμότητα της ηλεκτροχημικής σειράς των μετάλλων. 10 Τη χρησιμότητα των πρότυπων δυναμικών. 11 Ποιές είναι περιληπτικά οι εφαρμογές των γαλβανικών στοιχείων. ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ - ΦΑΣΕΙΣ 1 Γαλβανικά στοιχεία, στοιχείο Daniell. Ένα γαλβανικό στοιχείο αποτελείται από δύο ημιστοιχεία Α και Β, των οποίων τα ηλεκτρόδια (πόλοι του στοιχείου) συνδέονται εξωτερικά με αγωγό (εξωτερική σύνδεση). Στον αγωγό μπορούμε να παρεμβάλλουμε βολτόμετρο (για να μετράμε τη διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται στο γαλβανικό στοιχείο) ή αμπερόμετρο (ώστε να μετράμε την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος). Τα δύο διαλύματα ενώνονται με γέφυρα άλατος (εσωτερική σύνδεση). Να τονιστεί ότι η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, είναι η κινητήρια δύναμη των αντιδράσεων και έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος (κίνηση ηλεκτρονίων) στο εξωτερικό κύκλωμα, αλλά και μέσα στα ημιστοιχεία και τη γέφυρα άλατος (κίνηση ιόντων).

2 Το γαλβανικό στοιχείο Daniell Η διάταξη περιλαμβάνει δύο δοχεία τα οποία θα αποτελέσουν τα ημιστοιχεία. Στο πρώτο δοχείο εμβαπτίζουμε έλασμα Zn σε διάλυμα που περιέχει ιόντα Zn(aq) συγκέντρωσης 1 Μ (ZnSO4). Στο δεύτερο δοχείο εμβαπτίζουμε έλασμα Cu σε διάλυμα που περιέχει ιόντα Cu(aq) συγκέντρωσης 1 Μ (CuSO4). Αν η θερμοκρασία των δύο δοχείων διατηρηθεί σταθερή και ίση με 25οC, τα δύο αυτά ημιστοιχεία είναι τα πρότυπα ημιστοιχεία του Zn και του Cu, αντίστοιχα. Η σύνδεση των δύο ελασμάτων γίνεται με ένα ηλεκτρικά αγώγιμο καλώδιο (εξωτερική σύνδεση). Η σύνδεση των δύο ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων (ZnSO4 και CuSO4) ονομάζεται εσωτερική σύνδεση και γίνεται με έναν ηλεκτρολυτικό σύνδεσμο, ο οποίος συνήθως είναι μια γέφυρα άλατος. Η γέφυρα άλατος μπορεί να είναι ένας υοειδής σωλήνας ή σωλήνας σε σχήμα π (πι) οι άκρες του οποίου κλείνονται με άγαρ-άγαρ, έναν πολυσακχαρίτη. Το άγαρ-άγαρ επιτρέπει την κίνηση των ιόντων διαμέσου του και επομένως την ηλεκτρική επαφή του διαλύματος άλατος της γέφυρας με τα διαλύματα των ημιστοιχείων, αλλά παρεμποδίζει την ανάμιξη των δύο διαλυμάτων.

3 Το στοιχείο του Daniell είναι ένα κλασικό παράδειγμα γαλβανικού στοιχείου, το οποίο χρησιμοποιείται για: 1) Την εξήγηση των δράσεων που λαμβάνουν χώρα σε ένα γαλβανικό στοιχείο 2) Την κατανόηση των εννοιών των γαλβανικών στοιχείων 3) Την κατανόηση των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής γενικότερα 4) Την πειραματική επίδειξη ή άσκηση σπουδαστών, επειδή είναι πολύ εύκολο να κατασκευαστεί στο εργαστήριο Στο στοιχείο του Daniell η συνολική αντίδραση που λαμβάνει χώρα είναι: Zn + Cu Zn + Cu Στην οξειδοαναγωγική αυτή αντίδραση έχουμε μεταφορά φορτίων (e-) από το έλασμα Zn προς το έλασμα του Cu. Zn Zn + 2e Cu +2e Cu Η μεταφορά αυτή των ηλεκτρονίων γίνεται μέσω του εξωτερικού κυκλώματος και η ενέργεια που ελευθερώνεται από τη χημική αντίδραση (ΔG) προσδίδεται στα ηλεκτρόνια. Η ενέργεια είναι πλήρως εκμεταλλεύσιμη ως ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει το εξωτερικό κύκλωμα. Στο στοιχείο του Daniell έχουμε μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Το στοιχείο αυτό δεν είναι παρά μία μπαταρία της οποίας η ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) =1,1 V με θετικό πόλο το ηλεκτρόδιο του Cu και αρνητικό πόλο το ηλεκτρόδιο του Zn. Κατά το συμβολισμό του στοιχείου Daniell, αριστερά γράφουμε το ημιστοιχείο με τη μικρότερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού (ηλεκτρόδιο Zn) και δεξιά το ημιστοιχείο με τη μεγαλύτερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού (ηλεκτρόδιο Cu). Τα δύο ημιστοιχεία χωρίζονται με μια διπλή κάθετη γραμμή ( ), η οποία συμβολίζει τη γέφυρα άλατος. Zn Zn (aq,1m) Cu (aq,1m) Cu Zn =Ανοδος μικρό κανονικό δυναμικό Αρνητικά φορτισμένο (Ζn χάνει e οξειδώνεται σε Ζn ) Cu = Κάθοδος μεγάλο κανονικό δυναμικό Θετικά φορτισμένο (Cu παίρνει e ανάγεται σε Cu) Προσοχή: Το μεγάλο κανονικό δυναμικό συνδέεται στον κόκκινο θετικό πόλο του βολτομέτρου.

4 2 Ηλεκτρεγερτική δύναμη γαλβανικού στοιχείου Για να υπολογίσουμε τη διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται ανάμεσα στα δύο ημιστοιχεία του στοιχείου Daniell, συνδέουμε ένα βολτόμετρο (έχει μεγάλη εσωτερική αντίσταση), στα δύο ηλεκτρόδια του γαλβανικού στοιχείου. Υπάρχουν δύο τρόποι σύνδεσης. Συνδέουμε το θετικό ακροδέκτη του βολτομέτρου (+ ή V/Ω είσοδο) με το ηλεκτρόδιο του Cu που έχει υψηλότερο κανονικό δυναμικό και τον αρνητικό ακροδέκτη του βολτομέτρου (- ή com είσοδο) με το ηλεκτρόδιο του Zn που έχει χαμηλώτερο κανονικό δυναμικό. Γνωρίζουμε ότι το βολτόμετρο μετρά πάντα τη διαφορά δυναμικού μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ακροδέκτη, δηλαδή: Vβολτομέτρου = V Cu - V Zn = +0,34volt - (-0,76Volt) = +1,1 Volt >0. Το αποτέλεσμα είναι να έχουμε θετική ένδειξη του βολτομέτρου. Nα σημειωθεί ότι στο ηλεκτρόδιο Zn έχουμε οξείδωση γιατί το μέταλλο χάνει e, ενώ στο ηλεκτρόδιο Cu αναγωγή γιατί το μέταλλο προσλαμβάνει e.

5 Η θετική διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται στο γαλβανικό στοιχείο του Daniel ονομάζεται κανονική ηλεκτρεγερτική δύναμη του γαλβανικού στοιχείου, Η.Ε.Δ. (standard electromotive force) και συμβολίζεται με Εο. Παρατηρήσεις: 1. Ο όρος «ηλεκτρεγερτική δύναμη» δε συνιστάται, γιατί μια διαφορά δυναμικού δεν είναι δύναμη. Ορθότερος είναι ο όρος «ηλεκτρική διαφορά δυναμικού ενός γαλβανικού στοιχείου», χαρακτηρίζει τα διαφορετικά δυναμικά των ηλεκτροδίων στα δεξιά και αριστερά του γαλβανικού στοιχείου. 2. Η ένδειξη του βολτομέτρου μπορεί να αποτελέσει κριτήριο για να διαπιστώσουμε ποιο από τα δύο ημιστοιχεία έχει μικρότερο αλγεβρικά δυναμικό. Εάν η ένδειξη του βολτομέτρου είναι θετική, σημαίνει ότι το ημιστοιχείο που έχει συνδεθεί στο θετικό ακροδέκτη είναι αυτό με το μεγαλύτερο αλγεβρικά δυναμικό. Αντίθετα αν η ένδειξη του βολτομέτρου είναι αρνητική, σημαίνει ότι το ημιστοιχείο που έχει συνδεθεί στον θετικό ακροδέκτη είναι αυτό με το μικρότερο αλγεβρικά δυναμικό.

6 3 Η φορά του ρεύματος στο γαλβανικό στοιχείο Γενικά, μέσα σ ένα γαλβανικό στοιχείο, στο ημιστοιχείο Α, με τη μικρότερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού, λόγω της ηλεκτροδιάλυσης που συμβαίνει, το ηλεκτρόδιο του ημιστοιχείου φορτίζεται αρνητικά και τα e θα κινηθούν προς το ηλεκτρόδιο του ημιστοιχείου Β, με τη μεγαλύτερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού. Έτσι το αμπερόμετρο θα μας δείξει ρεύμα με φορά από το ηλεκτρόδιο με τη μεγαλύτερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού προς το ηλεκτρόδιο με τη μικρότερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού. 4 Γέφυρα άλατος και μεταβολές στη μάζα των ηλεκτροδίων Μέσα στη γέφυρα άλατος, έχουμε κίνηση αρνητικών φορτίων προς το ημιστοιχείο με τη μικρότερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού οξειδοαναγωγής και θετικών φορτίων προς το ημιστοιχείο με τη μεγαλύτερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού οξειδοαναγωγής. Η ροή των φορτίων, ισοδυναμεί με ρεύμα στο εσωτερικό κύκλωμα με φορά, από την άνοδο στην κάθοδο. Η γέφυρα άλατος έχει διπλό ρόλο 1) Προμηθεύει κατιόντα και ανιόντα, τα οποία αντικαθιστούν αυτά που καταναλώνονται στα ηλεκτρόδια, εξασφαλίζοντας την ηλεκτρο-ουδετερότητα των ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων των ημιστοιχείων. 2) Κλείνει το κύκλωμα επιτρέποντας την κίνηση του φορτίου από το ένα δοχείο στο άλλο.

7 Μεταβολή της μάζας των ηλεκτροδίων Οι αντιδράσεις που συμβαίνουν: Zn Zn + 2e = διάλυση Zn μείωση μάζας ηλεκτροδίου Zn Cu +2e Cu = απόθεση Cu αύξηση μάζας ηλεκτροδίου Cu 5 Άνοδος και κάθοδος στο στοιχείο Daniell Εφόσον στο ημιστοιχείο του Zn λαμβάνει χώρα οξείδωση, το ηλεκτρόδιο του Zn αποτελεί την άνοδο του γαλβανικού στοιχείου, διότι εξ ορισμού: ΟΞΕΙΞΩΣΗ = ΑΝΟΔΟΣ (Zn Zn + 2e ) «Άνοδος είναι πάντα το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται οξείδωση, ανεξάρτητα από το δυναμικό του ηλεκτροδίου και την ουσία ή οντότητα που οξειδώνεται, δηλαδή αν οξειδώνεται ανιόν ή κατιόν». Αντίθετα στο ημιστοιχείο του Cu λαμβάνει χώρα αναγωγή και το ηλεκτρόδιο του Cu αποτελεί την κάθοδο του γαλβανικού στοιχείου, διότι εξ ορισμού: ΑΝΑΓΩΓΗ = ΚΑΘΟΔΟΣ (Cu +2e Cu) «Κάθοδος είναι πάντα το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται αναγωγή, ανεξάρτητα από το δυναμικό του

8 ηλεκτροδίου και την ουσία ή οντότητα που ανάγεται, δηλαδή αν ανάγεται ανιόν ή κατιόν». 6 Ο συμβολισμός του γαλβανικού στοιχείου Η Ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) του γαλβανικού στοιχείου, είναι πάντα θετική και είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ της καθόδου και της ανόδου. Zn Zn (aq,1m) Cu (aq,1m) Cu ΑΡΙΣΤΕΡΑ =ΑΝΟΔΟΣ = ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΔΕΞΙΑ = ΚΑΘΟΔΟΣ = ΑΝΑΓΩΓΗ Zn =Ανοδος μικρό κανονικό δυναμικό Αρνητικά φορτισμένο (Ζn χάνει e οξειδώνεται σε Zn ) Cu = Κάθοδος μεγάλο κανονικό δυναμικό Θετικά φορτισμένο (Cu παίρνει e ανάγεται σε Cu) Προσοχή: Το μεγάλο κανονικό δυναμικό συνδέεται στον κόκκινο θετικό πόλο του βολτομέτρου. Αν το γαλβανικό στοιχείο έχει γραφτεί με το σωστό συμβολισμό (η άνοδος γράφεται αριστερά και η κάθοδος δεξιά), τότε, συνδέοντας ένα βολτόμετρο στο γαλβανικό στοιχείο έτσι ώστε ο αρνητικός ακροδέκτης του βολτομέτρου (-ή com είσοδο) να συνδέεται με το αριστερό ημιστοιχείο (Α) και ο θετικός ακροδέκτης του βολτομέτρου (+ ή V/Ω είσοδο) με το δεξιό ημιστοιχείο (Β), το βολτόμετρο θα δείξει θετική τιμή για τη διαφορά δυναμικού, η οποία αποτελεί και την Ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) του γαλβανικού στοιχείου. 7 Εύρεση ανόδου γαλβανικού στοιχείου Σε ένα γαλβανικό στοιχείο συνδυάζονται δύο ημιστοιχεία Α και Β. Αν η ένδειξη του βολτομετρου είναι θετική, αυτό υποδηλώνει ότι το ηλεκτρόδιο που έχει συνδεθεί στο θετικό ακροδέκτη έχει υψηλότερο δυναμικό συνεπώς αποτελεί την κάθοδο. Το ηλεκτρόδιο που έχει συνδεθεί στον αρνητικό ακροδέκτη έχει χαμηλότερο δυναμικό και αποτελεί την άνοδο. Αν η ένδειξη του βολτομέτρου ήταν αρνητική, τότε ισχύουν ακριβώς τα αντίθετα. Συνοψίζοντας, αν η ένδειξη του πολυμέτρου είναι θετική, είτε σε λειτουργία βολτομέτρου (Vdc) είτε αμπερομέτρου (Adc), το ηλεκτρόδιο που είναι συνδεδεμένο στην είσοδο (+ ή V/Ω) αποτελεί την κάθοδο ενώ το ηλεκτρόδιο που είναι συνδεδεμένο στην είσοδο ( ή com) αποτελεί την άνοδο.

9 8 Η λειτουργία ενός γαλβανικού στοιχείου Στο γαλβανικό στοιχείο του Daniell, στην άνοδο και στην κάθοδο πραγματοποιούνται οι παρακάτω αντιδράσεις: ΑΝΟΔΟΣ : Zn Zn + 2e = διάλυση Zn μείωση μάζας ηλεκτροδίου Zn ΚΑΘΟΔΟΣ : Cu +2e Cu = απόθεση Cu αύξηση μάζας ηλεκτροδίου Cu Η συνολική αντίδραση που λαμβάνει χώρα είναι: Zn + Cu Zn + Cu Όπως προκύπτει από το παραπάνω σχήμα, μετά την πάροδο κάποιου χρονικού διαστήματος, τα δύο δυναμικά οξειδοαναγωγής θα «εξισωθούν». Οταν γίνει ΕZn = Ecu, τότε δεν θα υπάρχει η κινητήρια δύναμη, η οποία προκαλούσε τη ροή των e από την άνοδο στην κάθοδο. Πρακτικά αυτό γίνεται αισθητό όταν σταματά η παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος από το γαλβανικό στοιχείο. Τότε στο γαλβανικό στοιχείο αποκαθίσταται η παραπάνω ισορροπία που έχει ως αποτέλεσμα να σταματήσει η λειτουργία του γαλβανικού στοιχείου.

10 9 Ηλεκτροχημική σειρά μετάλλων Με βάση την αναγωγική τους ικανότητα, τα μέταλλα κατατάσσονται σε μια σειρά αναγωγικής ισχύος που ονομάζεται ηλεκτροχημική σειρά, η οποία αποτελεί ταυτόχρονα και σειρά δραστικότητας. Όσο πιο αριστερά είναι ένα στοιχείο στην ηλεκτροχημική σειρά, τόσο πιο ισχυρά αναγωγικό σώμα είναι, δηλαδή τόσο πιο εύκολα το ίδιο οξειδώνεται ενώ προκαλεί αναγωγή άλλου στοιχείου. Όσο πιο δεξιά είναι ένα στοιχείο στην ηλεκτροχημική σειρά, τόσο πιο ισχυρά οξειδωτικό σώμα είναι, δηλαδή τόσο πιο εύκολα το ίδιο ανάγεται ενώ προκαλεί οξείδωση άλλου στοιχείου. 10 Χρήση των πρότυπων δυναμικών Zn + 2e Zn Εο Ζn = - 0,76Volt ΑΝΟΔΟΣ : ΚΑΘΟΔΟΣ : Cu +2e Cu Εο Cu= +0,34 Volt Εο Ζn = - 0,76Volt < Εο Cu= +0,34 Volt Η ημι-αντίδραση με το μικρότερο αλγεβρικά πρότυπο δυναμικό θα δώσει e, ενώ η ημι-αντίδραση με το μεγαλύτερο αλγεβρικά πρότυπο δυναμικό θα πάρει e. Zn Zn + 2e Cu +2e Cu Η συνολική αντίδραση που θα πραγματοποιηθεί θα είναι: Zn + Cu Zn + Cu 11 Εφαρμογές των γαλβανικών στοιχείων Οι σημαντικότερες εφαρμογές των γαλβανικών στοιχείων, είναι: Μπαταρίες Καθορισμός της ηλεκτροχημικής σειράς των στοιχείων Υπολογισμός της σταθεράς της χημικής ισορροπίας αλλά και της απόδοσης μιας οξειδοαναγωγικής αντίδρασης. Κύρια εφαρμογή των γαλβανικών στοιχείων είναι οι μπαταρίες. Οι μπαταρίες αποτελούνται από ένα ή περισσότερα γαλβανικά στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά. Κατά τη σύνδεση ο θετικός πόλος του ενός στοιχείου συνδέεται με τον αρνητικό πόλο του άλλου στοιχείου. Έτσι το δυναμικό της μπαταρίας ισούται με το άθροισμα των δυναμικών των γαλβανικών στοιχείων από τα οποία αποτελείται η μπαταρία. Αν και θεωρητικά οι μπαταρίες μπορούν να κατασκευαστούν από πάρα πολλές οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις, ωστόσο λίγες μόνο αντιδράσεις έχουν εφαρμογή στις μπαταρίες.