Galván elemeket hogy csinál az ember? (Elméletben, lapra leírva)

[link]

Itt leírja a lényegét az egyik legegyszerűbb galvánelemnek (Daniell-elem).

7.2. Galvánelemek

Elektromos jelenségeket elő tudtak állítani a tizennyolcadik századi tudósok, de állandó, tartós áramot nem voltak képesek létrehozni. Ehhez állandó feszültség szükséges, azonban nem volt ilyen készülék, amely egy drót két végén állandó feszültséget biztosított volna. Nem léteztek még a napjainkban oly annyira elterjedt elemek. Az első elem egy békacomb volt, melyet Galvani olasz tudós fedezett fel. A békacombot ugyanis egy rézdróttal egy vaskeretre függesztett föl. Az érintkezés pillanatában a békacomb megrándult, áram folyt át rajta. Barátja, Volta fejtette meg a jelenséget, miszerint az áramvezetés oka az volt, hogy réz és vas merült a békaszövet nedvébe, vagyis egy sóoldatba. Ha két fémlemezt bizonyos oldatokba merítünk, áram keletkezik.

Napjaink ismert, boltokban kapható, zsebrádiók, magnók stb. működtetésére használt elemei különböző galvánelemek. Az elem két elektródja közt feszültség van, melyet feszültségmérő műszer segítségével ki is tudunk mutatni. Többféle elem van forgalomban, az egyik 4,5 V-os, a másik típus általában az 1,5 V-os. Ezek előbb-utóbb kimerülnek, ezért kell másikat venni. Vannak azonban olyan különleges típusok, melyek újra tölthetők, ezek az akkumulátorok, melyeket a gépkocsikban használnak.

A galvánelemek működése kémiai reakciókon alapul. Energiájukat a kémiai redox reakciókból nyerik, azt alakítják át elektromos energiává. Az egyik legismertebb és egyben legegyszerűbb példa erre a Daniell-elem. Az alapfolyamat a következő: cinklemezt helyezve réz-szulfát vizes oldatába rövid időn belül azt tapasztaljuk, hogy a cinklemez felületén vörös színű réz válik ki, az oldat kék színe viszont halványodni kezd. A folyamat lényege a következő:

Cu2+ + Zn = Cu + Zn2+

Ebben a redox folyamatban a réz felvesz két elektront, a cink pedig lead. Az elektroncsere egyazon helyen megy végbe. A redukció elektron leadását, az oxidáció pedig elektron felvételét jelenti. A két folyamat csak együttesen mehet, végbe, hiszen a leadott elektront egy másik részecske felveszi. Az elektronátmenettel járó kémiai folyamatokat redox folyamatoknak nevezzük.

Szét lehetne-e térbelileg választani az imént említett két folyamatot?

A galvánelemekben pontosan ez történik. Vegyünk két poharat, és az egyikbe tegyünk ZnSO4 oldatot és cinklemezt, a másikba pedig CuSO4 oldatot és abba rézlemezt, majd ezek közé tegyünk sósavval átitatott szűrőpapírt. Ha a két lemezt összekötjük egy ampermérőn keresztül, akkor az áramot mutat annak jeléül, hogy az elektronok a cinklemez felületéről átjutnak a rézlemezre. Amíg áram folyik a vezetékben, addig a réz kiválása és a cink oldódása folyamatos. A cinklemez az ott lévő elektronok miatt negatív töltésű, ez az elem negatív pólusa, a réz pedig a pozitív. A Daniell-elemben az oxidáció és a redukció térbelileg el van egymástól választva, az elektronok csak külső vezetőn keresztül juthatnak el az egyik fémlemezről, (elektródáról), a másikra. Ennek oka az, hogy réz- és a cinklemez közt feszültség van, mely mérhető értéket a cellareakció elektromotoros erejének nevezünk. Ez a Daniell-elem esetében 1,0-1,1 V körül van az oldatok koncentrációjától függően.

Ehhez hasonló galváncellát nagyon sok elektródpárból össze lehet állítani. A különböző elektródok sajátosságai az elektródpotenciállal jellemezhetők. Ez azonban mindig csak egy másik elektródhoz viszonyítva mérhető. Ezért kell választani egy viszonyítási elektródot. Ez a hidrogénelektród. Ennek az elektródpotenciálját megállapodás szerint nullának veszik.

Az adott elektródból és a hidrogénelektródból összeállított galvánelem elektromotoros erejét nevezik az illető elektród elektródpotenciáljának. (e)

Ez függ az elektród anyagi minőségétől és az oldat koncentrációjától.

Ha az elektród egységnyi koncentrációjú elektrolit oldatba merül 25°C-on, akkor elektródpotenciálját standardpotenciálnak nevezik.(e0)

Néhány elem standardpotenciálja

ELEKTRÓD STANDARD POTENCIÁL(V)

K/K+ -2.92

Mg/Mg2+ -2.38

Zn/Zn2+ -0.76

Pb/Pb2+ -0.13

H2 /2H+ 0.00

Cu/Cu2+ +0.34

Ag/Ag+ +0.80

A galvánelem elektromotoros erejét a két elektród elektródpotenciáljának különbsége adja meg. Továbbá a kémiai reakció irányára is következtethetünk ezekből az értékekből. Példánkban a kisebb standardpotenciálú cink redukálta a nagyobb standardpotenciálú rezet. Ez általánosságban is igaz, a kisebb standardpotenciálú fém a nagyobb standardpotenciálú fém ionját redukálni képes. A 8. évfolyamban megismertétek a fémek redukálósorát, amelyben a hidrogén is szerepelt. Most ennek a fogalomnak a magyarázatát láttátok. Az egyes fémekhez standard elektródpotenciálok rendelhetők, amelyek ténylegesen mérhető feszültségértékek és a viszonyítási alap a hidrogén.

Kérdések, feladatok

1. Mi a Daniell-elem, magyarázd el működését!

2. Milyen kémiai folyamat megy végbe a galvánelemekben és hogyan?

3. Mi az elektródpotenciál és a standardpotenciál?

4. Mire használjuk a hidrogénelektródot?

Problémák, vizsgálatok

1. Galvánelemek készítése

Eszközök: három egyforma főzőpohár, rézlemez, két cinklemez, két krokodilcsipesz, röpzsinórok, voltmérő, híg sósavoldat, szürőpapírcsíkok, rézgálic és cink-szulfát oldat

Önts rézgálic oldatot az egyik főzőpohárba és helyezd bele az egyik cinklemezt. Figyeld meg a változásokat.

Önts egy főzőpohárba rézgálic oldatot és helyezd bele a rézlemezt, másikba cink-szulfát oldatot és helyezd bele a cinklemezt. A hosszú szűrőpapír csíkot nedvesítsd meg a híg sósavval és helyezd úgy a két pohár széléhez, hogy egyik vége az egyik, másik vége a másik oldatba lógjon bele. Az így készült kis berendezést kapcsold össze egy a voltmérőn keresztül. Figyeld meg mit mutat a voltmérő.

Az így készített elrendezés neve galvánelem.

2. Citromelem

Eszközök és anyagok: nagyobb darab félbevágott citrom, egy vadonatúj 1Ft-os és 2Ft-os, két krokodilcsipesz, röpzsinórok, voltmérő

Kísérlet: A félbevágott citrom ugyanazon gerezdjébe dugd bele a két pénzérmét, melyet voltmérőhöz csatlakoztattál.

Mit mutat a műszer és miért?

7.3. Fémek korróziója

Miközben a fémeket nagy energia-befektetéssel állítják elő, majd a megmunkált fémeket kiteszik a környezetbe, a levegő oxigénje, a nedvesség, a különböző gázok és a talajban oldott vegyületek, részben visszaalakítják a fémeket fémvegyületekké. A vas például közismert módon rozsdásodik, amint ezt már a 8. évfolyamon is tanultátok. Ez a keletkezett rozsdaréteg azonban lukacsos szerkezetű lévén nem védi meg a fémet a további átalakulástól, mint pl. az alumínium esetében.

Korróziónak nevezzük a környezet hatására az anyagok felületéről kiinduló kémiai változást.

Most a korróziónak a korrektebb magyarázatát adjuk meg nektek. Jelentősen megnő a korrózió sebessége különböző fémek érintkezésekor, amikor a felületen elektrolitréteg van. A levegő szennyeződései (CO2 SO2 ,NO2 stb.), a talajban levő vegyületek oldódnak vízben, elektrolit keletkezik. Ilyenkor galvánelem jön létre, amelyben a kisebb standardpotenciálú fém oldódik és a folyamat a teljes feloldódásig tart.

Galvánelem, úgynevezett helyi elem képződik olyan esetekben is, amikor a fémben zárványok, vagy torzult kristályok vannak. Ilyen esetben mindig vannak a fémen olyan aktív helyek, ahol az oldódás bekövetkezik.

A fémfelület védelmének kétféle lehetősége van, aktív és passzív. A passzív fémvédelemről akkor beszélünk, ha a fémek felületén különböző bevonatokat hozunk létre, mint festékek, lakkok, zománcbevonatok létrehozásával. Ebben az esetben megszűnik a védőhatás, ha a bevonat megsérül. Aktív fémvédelemről akkor beszélünk, ha a védőhatás nem szűnik meg a bevont megsérülésével. Ilyen védelmet nyújt pl. az ha a vaslemezt cinkkel vonják be. Ha a bevonat megsérül és helyi elem keletkezik, akkor a cink kezd el oldódni és nem a vas. Mivel a védendő fém ebben a rendszerben a katód, a korrózióvédelemnek ezt a fajtáját katódos fémvédelemnek nevezzük.

www.puskas.hu/arany/kiserlet/.../3/cim.html

Ajanlom azt a cimu konyvet hogy kis technikus konyvtar