- חלקים מהתא הגלווני
- תִפקוּד
- תגובות חמצון והפחתה
- גשר המלח
- פוטנציאל חמצון וצמצום
- ייצוג סמלי של תא גלווני
- יישומים
- התא הגלווני בחיי היומיום
- בניית תא גלווני ביתי
- חומרים
- תהליך
- הפניות
תא גלווני או תא וולטאי הוא סוג של תא אלקטרוכימי המורכב משתי מתכות שונות שקוע שני תאים וחצי, שבו תרכובת בתמיסה מפעילה תגובה ספונטנית.
לאחר מכן, אחת המתכות באחד מחצי התאים מתחמצנת ואילו המתכת בחצי התא השני מצטמצמת, ומייצרת חילופי אלקטרונים דרך מעגל חיצוני. זה מאפשר לנצל את הזרם החשמלי.
איור 1. תרשים וחלקים מתא גלווני. מקור: corinto.pucp.edu.pe.
השם "תא גלווני" הוא לכבוד אחד מחלוצי הניסויים בחשמל: הרופא והפיזיולוג האיטלקי לואיג'י גלווני (1737-1798).
גלווני גילה בשנת 1780 שאם הצטרפו כבלים של מתכות שונות בקצה אחד והקצוות החופשיים יובאו במגע עם המגרש של צפרדע (מתה), אז התרחש התכווצות.
עם זאת, הראשון שבנה תא אלקטרוכימי לייצור חשמל היה גם אלסנדרו וולטה האיטלקי (1745-1827) בשנת 1800 ומכאן שמו האלטרנטיבי של התא הוולטאי.
חלקים מהתא הגלווני
החלקים של תא גלווני מוצגים באיור 1 והם כדלקמן:
1.- חצי תא אנודי
2.- אלקטרודה אנודה
3.- פיתרון אנודי
4.- חצי תא קתודה
5.- אלקטרודה קתודה
6.- פיתרון קתודי
7.- גשר מלח
8.- מוליך מתכתי
9.- מד מתח
תִפקוּד
כדי להסביר את פעולת התא הגלווני נשתמש בתחתון:
איור 2. איור 2. מודל דידקטי של התא הגלווני. מקור: slideserve.com
הרעיון הבסיסי של תא גלווני הוא שהמתכת שעוברת את תגובת החמצון מופרדת פיזית מהמתכת המופחתת, באופן שחילופי אלקטרונים מתרחשים דרך מוליך חיצוני המאפשר לנצל את זרימת הזרם החשמלי, למשל להדליק נורה או לד.
באיור 2, בחצי התא השמאלי יש סרט נחושת מתכתי (Cu) השקוע בתמיסת סולפט נחושת (CuS0 4 ), ואילו בחצי התא הימני יש קלטת אבץ (Zn) שקועה בתוך תמיסה של אבץ גופרתי (ZnSO 4 ).
יש לציין כי בכל חצי תא המתכת של כל אחת מהן קיימת בשני מצבי חמצון: אטומי המתכת הנייטרלים ויוני המתכת של המלח של אותה מתכת בתמיסה.
אם הקלטות המתכתיות לא מצטרפות לחוט מוליך חיצוני, אז שתי המתכות מתחמצנות בנפרד בתאים שלהן.
עם זאת, מכיוון שהם מחוברים חשמלית, קורה שחמצון יתרחש ב- Zn בעוד שתתגובה הפחתה ב- Cu. הסיבה לכך היא שמידת החמצון של אבץ גדולה מזו של הנחושת.
המתכת המחוסנת מעניקה אלקטרונים למתכת המופחתת דרך המוליך החיצוני וניתן לרתום את זרימת הזרם הזו.
תגובות חמצון והפחתה
התגובה שמתרחשת בצד ימין בין אלקטרודת המתכת באבץ לתמיסת האבץ הגופרתי המימיים היא כדלקמן:
Zn o (s) + Zn 2+ (SO 4 ) 2- → 2 Zn 2+ (ac) + (SO 4 ) 2- + 2 e -
אטום אבץ (מוצק) על פני אלקטרודת האנודה בחצי התא הימני, מגורה על ידי היונים החיוביים של האבץ בתמיסה, מוותר על שני אלקטרונים ומשתחרר מהאלקטרודה, עובר לתמיסה המימית כיון חיובי כפול של אָבָץ.
אנו מבינים שהתוצאה נטו הייתה שאטום אבץ ניטרלי מהמתכת, באמצעות אובדן של שני אלקטרונים, הפך להיות יון אבץ שמוסיף לפיתרון המימי, כך שמוט האבץ איבד אטום אחד ואת הפתרון רכש יון כפול חיובי.
האלקטרונים המשוחררים יעדיפו לנוע דרך החוט החיצוני לעבר המתכת של חצי תא אחר טעון חיובי (קתודה +). מוט האבץ מאבד מסה כאשר האטומים שלו עוברים בהדרגה לתמיסה המימית.
ניתן לסכם את חמצון האבץ באופן הבא:
Zn o (s) → Zn 2+ (ac) + 2 e -
התגובה המתרחשת בצד שמאל דומה, אך הנחושת בתמיסה המימית לוכדת שני אלקטרונים (מחצי התא השני) ומופקדת על אלקטרודת הנחושת. כאשר אטום מרים אלקטרונים אומרים שהוא מופחת.
תגובת הפחתת הנחושת נכתבת כך:
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu o (s)
סרגל הנחושת צובר מסה כאשר יוני הפיתרון עוברים לבר.
התחמצנות מתרחשת באנודה (שלילית), הדוחה אלקטרונים, ואילו הפחתה מתרחשת בקטודה (חיובית), שמושכת אלקטרונים. החלפת אלקטרונים מתרחשת דרך המוליך החיצוני.
גשר המלח
גשר המלח מאזן את המטענים המצטברים בשני מחצית התאים. יונים חיוביים מצטברים בחצי התא האנודי, בעוד שבתא הקתודי נותר עודף של יוני סולפט שלילי.
בגשר המלח משתמשים בתמיסה של מלח (כמו נתרן כלוריד או אשלגן כלורי) שאינו מתערב בתגובה, שנמצא בצינור הפוך בצורת U, שקצותיו מחוברים לקיר של חומר נקבובי.
מטרתו היחידה של גשר המלח היא שהיונים יסננו לכל תא, יתאזן או נטרלו את המטען העודף. בדרך זו נוצר זרימת זרם דרך גשר המלח, דרך יוני המלח, הסוגר את מעגל החשמל.
פוטנציאל חמצון וצמצום
פוטנציאלים של חמצון וצמצום סטנדרטיים מובנים כאלו המתרחשים באנודה ובקתודה בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס ובתמיסות של ריכוז 1M (טוחן אחד).
עבור פוטנציאל החמצון הסטנדרטי שלה האבץ הוא E שור = 0.76 V. אמנם, פוטנציאל הפחתת התקן נחושת הוא E אדומה = 0.34 V. כוח אלקטרומניע (EMF) המיוצר על ידי תאי גלוון זה : emf = +0.76 V + 0.34 V = 1.1 V.
ניתן לכתוב את התגובה הגלובלית של התא הגלווני כך:
Zn o (s) + Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu o (s)
אם לוקחים בחשבון סולפט, התגובה נטו היא:
Zn o (s) + Cu 2+ (SO 4 ) 2- 25ºC → Zn 2+ (SO 4 ) 2- + Cu o (s)
סולפט הוא אורח אורח, בעוד מתכות מחליפות אלקטרונים.
ייצוג סמלי של תא גלווני
התא הגלווני באיור 2 מיוצג באופן סמלי באופן הבא:
Zn o (s) -Zn 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) (1M) -Cu o (s)
על פי המוסכמה, המתכת המחמצנת ויוצרת את האנודה (-) מונחת תמיד משמאל, והיון שלה במצב המימי מופרד על ידי מוט (-). חצי התא האנודי מופרד מהקתודי אחד על ידי שני מוטות (-) המייצגים את גשר המלח. בצד ימין ממוקם חצי התא המתכתי שמצטמצם ויוצר את הקתודה (+).
בייצוג הסמלי של תא גלווני, השמאל הקיצוני הוא תמיד המתכת המחמצנת והמתכת המצטמצמת ממוקמת לימין הקיצוני (במצב מוצק). יש לציין כי באיור 2 תאי החצי נמצאים במצב הפוך ביחס לייצוג הסמלי המקובל.
יישומים
בהכרת פוטנציאל החמצון הסטנדרטי של מתכות שונות, ניתן לקבוע את כוח האלקטרומוטיקה שייצר תא גלווני שנבנה עם מתכות אלה.
בסעיף זה נחיל את מה שנאמר בסעיפים הקודמים כדי לחשב את כוח האלקטרומוטיקה נטו של תא הבנוי במתכות אחרות.
כדוגמה ליישום אנו רואים תא גלווני של ברזל (Fe) ונחושת (Cu). כנתונים ניתנות תגובות הפחתה שלהלן ופוטנציאל ההפחתה הסטנדרטי שלהן, כלומר בריכוז 25ºC וב- 1M:
Fe 2+ (ac) + 2 e - → Fe (s). רשת E1 = -0.44 וולט
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu (s). E2 אדום = +0.34 וולט
הוא מתבקש למצוא את כוח האלקטרומוטיקה הנקי המיוצר על ידי התא הגלווני הבא:
Fe (ים) -Fe 2+ (aq) (1M) - Cu 2+ (aq) -Cu (s)
בתא זה הברזל מתחמצן והוא האנודה של התא הגלווני, בעוד הנחושת מצטמצמת והיא הקתודה. פוטנציאל החמצון של ברזל שווה אך הפוך לפוטנציאל הפחתה שלו, כלומר E1 oxd = +0.44.
כדי להשיג את הכוח האלקטרומוטיסטי המיוצר על ידי תא גלווני זה, אנו מוסיפים את פוטנציאל החמצון של ברזל עם פוטנציאל הפחתה של נחושת:
emf = E1 oxd + E2 אדום = -E1 אדום + E2 אדום = 0.44 V + 0.34 V = 0.78 V.
התא הגלווני בחיי היומיום
תאים גלווניים לשימוש יומיומי שונים מאוד בצורתם ממה שמשמש כמודל דידקטי, אך עיקרון פעולתם זהה.
התא הנפוץ ביותר הוא הסוללה האלקליין 1.5 וו במצגות השונות שלה. השם הפרטי בא מכיוון שמדובר בקבוצת תאים המחוברים בסדרות כדי להגדיל את ה- emk.
סוללות נטענות ליתיום מבוססות גם על אותו עיקרון עבודה כמו תאים גלווניים והם אלו שמשמשים בסמארטפונים, שעונים ומכשירים אחרים.
באותו אופן סוללות עופרת לרכבים, אופנועים וסירות הן בגודל 12 וולט ומבוססות על אותו עיקרון הפעלה של התא הגלווני.
תאים גלווניים משמשים באסתטיקה ובהתחדשות שרירים. ישנם טיפולי פנים אשר מורכבים מריחת זרם דרך שתי אלקטרודות בצורת רולר או כדור שמנקים ומבהירים את העור.
פולסים נוכחיים מוחלים גם כדי לחדש את השרירים אצל אנשים שנמצאים במצב של השתטחות.
בניית תא גלווני ביתי
ישנן דרכים רבות לבנות תא גלווני ביתי. אחד הפשוטים ביותר הוא שימוש בחומץ כפתרון, מסמרי פלדה וחוטי נחושת.
חומרים
- כוסות פלסטיק חד פעמיות
-חומץ לבן
- שני ברגי פלדה
-שני חלקים מחוטי נחושת חשופים (ללא בידוד או לכה)
-מתח
תהליך
-מלא ¾ חלקים מהכוס בחומץ.
הצטרף לשני ברגי הפלדה עם מספר סיבובי חוט והשאיר פיסת חוט מתפתלת.
הקצה הלא מפותל של חוט הנחושת כפוף לצורת U הפוכה כך שהוא מונח על שפת הזכוכית והברגים שקועים בחומץ.
איור 3. איור 3. תא גלווני ומולטימטר תוצרת בית. מקור: youtube.com
פיסת חוט נחושת נוספת כפופה גם היא ב- U הפוכה ותולה על קצה הזכוכית במצב מנוגד באופן קוטר לברגים שקועים, כך שחלק מהנחושת נמצא בתוך החומץ והחלק האחר של חוט הנחושת נמצא בחוץ. של הזכוכית.
הקצוות החופשיים של מוליכי המתח מתחברים למדידת הכוח האלקטרומוטיסטי המיוצר על ידי התא הפשוט הזה. ה- emk של תאים מסוג זה הוא 0.5 וולט. כדי להשוות את ה- emf של סוללה אלקליין, יש צורך לבנות שני תאים נוספים ולהצטרף לשלושה בסדרה, כך שתתקבל סוללה של 1.5 וולט
הפניות
- Borneo, R. Galvanic ותאים אלקטרוליטיים. התאושש מ: classdequimica.blogspot.com
- Cedrón, J. כימיה כללית. PUCP. התאושש מ: corinto.pucp.edu.pe
- פאררה, ל. מבוא לאלקטרוכימיה. המחלקה לפיזיקו-כימיה UNAM. התאושש מ: depa.fquim.unam.mx.
- ויקיפדיה. תא אלקטרוכימי. התאושש מ: es.wikipedia.com.
- ויקיפדיה. תא גלווני. התאושש מ: es.wikipedia.com.