Galvanski element

Galvanski element, po Luiđiju Galvaniju (9. septembra 1737. - 4. decembra 1798. godine), je hemijski izvor električne struje koji se sastoji od dva različita metala uronjena u elektrolit.^[1]^[2] Naziva se i elektrohemijska ćelija, ređe voltni element. (Ne mešati sa Voltinim stubom ili Voltnim elementom koji predstavlja specifičan tip galvanskog elementa.)

Istorija[uredi | uredi izvor]

Galvani je 1780. godine otkrio prisustvo elektriciteta u mišićima i nervnim ćelijama zapažanjem da se žablja noga grči kada se istovremeno dodirne žicama od različitih metala koje su na drugom kraju spojene čime je zatvoreno strujno kolo. On je ovu pojavu nazvao „životinjski elektricitet“ a po njemu je kasnije nazvana „galvanizam“. (Ne mešati sa galvanizacijom koja kao reč ima isto poreklo ali sasvim drugo značenje.) Na osnovu Galvanijevih istraživanja Aleksandro Volta je kasnije otkrio i napravio prvu bateriju.

Opis[uredi | uredi izvor]

Obični metali, bakar, cink, gvožđe, koji su pod normalnim uslovima elektro-neutralni, pri rastvaranju u elektrolitu (kiseline, baze, soli) negativno se naelektrišu jer u rastvor odlaze pozitivni joni dok (negativni) elektroni ostaju na metalu. Ukupan rezultat je da elektrolit postaje pozitivno naelektrisan, a metal negativno. Što je negativniji, metal jače privlači pozitivne jone zbog čega se reakcija rastvaranja usporava dok se ne postigne dinamička ravnoteža kada isti broj jona odlazi u elektrolit koliko ih se vraća zbog elektrostatičkog privlačenja. To znači da za svaku kombinaciju metal/elektrolit ravnotežni potencijal ima konstantnu vrednost koja pored vrste metala i elektrolita zavisi i od temperature, koncentracije elektrolita itd. Jedna takva kombinacija metal/elektrolit naziva se elektrohemijski poluelement. Najlakši za razumevanje je poluelement sačinjen od metala i njegove soli, recimo bakar/bakarsulfat, cink/cinksulfat.

Galvanska ćelija se obrazuje kada se dva poluelementa dovedu u električni kontakt, najjednostavnije poroznom membranom koja dopušta prolaz jona, ali sprečava spontano mešanje elektrolita. Pri jednakim koncentracijama elektrolita, zbog svoje različite prirode, metali se različito rastvaraju te postižu i različite ravnotežne potencijale. U konkretnom slučaju bakar se manje rastvara u bakarnom sulfatu nego cink u cinksulfatu (iste molarne koncentracije). Rezultat je malo veći pozitivni potencijal bakarne elektrode u odnosu na cinkanu zbog čega se među njima javlja potencijalna razlika. U galvanskom elementu, gde su poluelementi električno spojeni, ta potencijalna razlika postaje izvor napona. Dakle, jedna elektroda postaje pozitivna (anoda) a druga negativna (katoda).(Ispravnije je reći da razlika potencijala dovodi do pojave elektromotorne sile (EMS) jer EMS i napon nije jedno te isto, ali ovde tu razliku možemo da zanemarimo.) Zbog tog napona, između metalnih elektroda teče električna struja kada se ove električno spoje. Pri tome elektroni sa negativnije cinkane elektrode prelaze na pozitivniju bakarnu elektrodu. Taj tok elektrona (električna struja) remeti elektrohemijsku ravnotežu na elektrodama. Bakarna elektroda, sada malo negativnija nego u ravnoteži, prima još pozitivnih jona da dostigne ravnotežu. S druge strane, cinkana elektroda, gubitkom elektrona postaje pozitivnija te ravnotežu postiže otpuštanjem u elektrolit još pozitivnih jona. Ukupan efekat je da se električna struja, dakle rad, proizvodi na račun razlike u hemijskim energijama između metalnih jona u rastvoru i u metalu. Pri tome metal sa anode odlazi u elektrolit dok na katodi dolazi do izdvajanja metala iz elektrolita. Konkretno, električna struja u elementu sa slike nastaje kao posledica veće težnje cinka da bude u rastvoru nego u metalu u odnosu na istu težnju bakra. Struja teče dok se sav cink ne rastvori. Normalno, da bi se zatvorilo električno kolo, i kroz elektrolit protiče električna struja koju ka katodi prenose pozitivni joni (katjoni), a ka anodi negativni anjoni.

U širem fizičkohemijskom kontekstu primanje elektrona naziva se redukcija, a odavanje elektrona oksidacija. Sumarno proces prenosa elektrona se naziva redoks reakcija, (ako je neko elektron predao, u kondenzovanoj materiji, neko drugi je morao da ga primi.) Zato se često kaže da galvanski element proizvodi električnu struju oksidacijom jona metala (u ovom slučaju cinka) na anodi. Dakle električna struja u galvanskom elementu nastaje u redoks reakciji između metala i njihovih soli.

Elektromotorna sila galvanskog elementa[uredi | uredi izvor]

Elektromotorna sila (EMS) elektrohemijskih elemenata je razlika elektrodnih potencijala kada se iz elementa ne crpi struja. Za razliku od napona koji zavisi od potrošnje, EMS je za dati element konstanta i može da se odredi na osnovu vrednosti standardnih elektrodnih potencijala njegovih elektroda.

U primeru pokazanom na slici, elektrode su dve metalne ploče (bakarna i cinkana) uronjene u odgovarajuće sulfatne soli, CuSO₄ i ZnSO₄. U tablicama mogu da se nađu vrednosti potencijala za odgovarajuće polu-reakcije:

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (E = +0,34 V)

Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn (E = −0,76 V)

Dakle, potpuna reakcija (kombinacija dve polu-reakcije) koja se odigrava u elementu je

Cu²⁺ + Zn → Cu + Zn²⁺

EMS je tada +0,34 V −(−0,76 V) = 1,10 V

Pošto elektrodni potencijali zavise od koncentracije elektrolita, pri nestandardnim uslovima EMS treba da se koriguje Nernstovom jednačinom.

Galvanska korozija[uredi | uredi izvor]

Galvanska korozija je proces u kojem se metal degradira elektrohemijski. Ta se korozija javlja kada se dva različita metala dovedu u kontakt u prisustvu elektrolita. Sve otvorene vode u prirodi, bilo prirodne (mora, jezera, reke, kišnica) ili veštačke (bazeni za plivanje, industrijsko hlađenje, otpadne vode... itd), su jači (morska voda) ili slabiji (kišnica) elektroliti. Tada, zbog razlike u elektrodnim potencijalima, među različitim metalima uspostavlja se potencijalna razlika pod čijim uticajem manje plemeniti metal počinje da se rastvara mnogo brže nego što bi da nije u kontaktu sa plemenitijim metalom. Graditelji danas znaju da u gradnji metali ne smeju da se kombinuju slobodno jer je bilo slučajeva da konstrukcije vrlo brzo propadnu kada se recimo u konstrukciji krova kombinuju bakar, cink, gvožđe i aluminijum.

Galvanska zaštita od korozije[uredi | uredi izvor]

Na istom principu, na razlikama elektrodnih potencijala različitih metala zasniva se galvanska zaštita od korozije. Najočigledniji primer je pocinkovani lim od kojeg se prave oluci, krovovi, metalne konstrukcije. Pošto cink ima niži elektrodni potencijal od gvožđa, gvožđe neće rđati sve dok na njemu ima cinka.

Tipovi elemenata[uredi | uredi izvor]

Vidi još[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

^ Milenko V. Šušić, Osnovi elektrohemije i elektrohemijske analize, Fakultet za fizičku hemiju, Beograd, 1992.
^ Slavko Mentus, Elektrohemija, Fakultet za fizičku hemiju, Beograd, 2001.
^ Malmivuo, J., & Plonsey, R. (1995). Bioelectromagnatism Архивирано на сајту Wayback Machine (17. март 2007): Principles and applications of bioelectric and biomagnetic fields. New York: Oxford University Press., Ch.1

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

"Galvanic (Voltaic) Cells and Electrode Potential". Chemistry 115B, Sonoma.edu.
"Making and testing a simple galvanic cell". Woodrow Wilson Leadership Program in Chemistry, The Woodrow Wilson National Fellowship Foundation.
"Galvanic Cell" Good Animation

[1] Milenko V. Šušić, Osnovi elektrohemije i elektrohemijske analize, Fakultet za fizičku hemiju, Beograd, 1992.

[2] Slavko Mentus, Elektrohemija, Fakultet za fizičku hemiju, Beograd, 2001.

[3] Malmivuo, J., & Plonsey, R. (1995). Bioelectromagnatism Архивирано на сајту Wayback Machine (17. март 2007): Principles and applications of bioelectric and biomagnetic fields. New York: Oxford University Press., Ch.1

[1]

[2]

[3]