Elmagyaráznátok nekem a galvánelemek működését, és hogy hogyan termelnek áramot?

[link]

Ezt átnyálaztad már?

A galváncella (galvánelem) kémiai munkát alakít át elektromos munkává. Használható a kémiai energia és elektromos energia fogalom is természetesen, mert a munka és energia kifejezések egyenértékűek.

Az a kérdés: egy adott kémiai reakció kémiai munkáját mely esetben tudjuk átalakítani elektromos munkává?

1. Tekintsük a következő kísérletet:

Cinklemezt mártunk réz(II)-szulfát oldatba. Idővel szemmel láthatóan is nyilvánvaló lesz, hogy ez a rendszer ÖNMAGÁTÓL KÉMIAI MUNKÁT VÉGEZ: a vörös színű elemi réz megjelenik az "ezüstszürke" színű cinklemez felületén. A teljes folyamatot leíró egyenlet és ionegyenlet:

(1) Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

Tehát a cink oldatba megy és a réz kiválik. Ez azért van, mert a réz nemesfém, azaz Cu elemi állapotra törekszik, a cink pedig a vízmolekulákkal körülvett ionos, azaz a Zn2+(aq) hidratált állapotot részesíti előnyben (Eme törekvés számadattal is jellemezhető: ez maga az Eº standard potenciál, amibe nem akarok most belemenni.)

Az (1) egyenlet részekre bontható, elektron átmenet történik a megfelelő részecskék között, a Zn által leadott elektronokat a Cu2+(aq) veszi föl:

(1a) Zn = Zn2+ + 2 e-

(1b) Cu2+ + 2 e- = Cu

Eme (1) kémiai reakcióból azért nem tudunk elektromos energiát nyerni, mert az (1a) és (1b) részfolyamatok AZONOS TÉRBEN JÁTSZÓDNAK LE.

2. Építsünk galváncellát:

Elemi cinket mártsunk cink(II)-szulfát oldatba és elemi rezet mártsunk réz(II)-szulfát oldatba. Ezeket cink és réz elektródnak hívjuk.

A két elektródot az áramkört zárandó két elektromos vezetővel kössük össze:

a. az oldatokat olyannal, ami azok keveredését megakadályozza, azonban fenntartja az elektromos kapcsolatot: ez lehet például sóhíd, porózus diafragma, stb. (nem részletezem).

b. a fémeket például platina fémes vezetővel.

Ezáltal (1) kémiai reakcióból elektromos energiát tudunk nyerni, mert az (1a) és (1b) részfolyamatok KÜLÖN TÉRBEN JÁTSZÓDNAK LE. Vagyis az (1) folyamat által termelt (fémes vezetőn közlekedő) elektronokat a fémes vezetőre kötött fogyasztóval meg tudjuk "csapolni".

A galváncella celladiagramja (bal oldali a negatív, jobb oldali a pozitív pólus, │ a fém-oldat határfelület, ║ a sóhíd, diafragma,...):

- Zn │ Zn2+(aq) ║ Cu2+(aq) │ Cu +

Összefoglalás: a galvánelem működésének az a lényege, hogy adott kémiai reakció kémiai munkáját csak akkor tudjuk elektromos munkaként hasznosítani, ha a KÉMIAI REAKCIÓ RÉSZFOLYAMATAIT TÉRBEN SZÉTVÁLASZTJUK.

Megjegyzés (nem a kérdezőnek): okos emberek be szokták írni néha, hogy a kémia valójában elektronhéj fizika. Hol vagytok ilyenkor elektronhéj fizikusok?! XD