Zelda galvanikoa

Zelda galvanikoa edo zelda voltaikoa erredox erreakzio espontaneoetatik energia elektrikoa ateratzen duen pila elektrokimiko bat da. Erreakzio horiek zelda barnean gertatzen dira. Izena Luigi Galvani edo Alessandro Volta fisikariengandik dator. Orokorrean, gatz-zubi baten bitartez konektatuta dauden bi metal desberdinez edo mintz porodun batek banantzen dituen bi semipilez osatuta dago.

Voltak pila voltaikoa asmatu zuen. Pila voltaikoa lehen bateria elektrikoa izan zen. Bateria hitzaren erabilera arruntak eboluzionatu egin du; hasieran, bateria terminoa hainbat zelda galvaniko adierazteko erabiltzen zen, gaur egun ordea, pila galvaniko bakar bat adierazteko.

Deskripzioa

Pila galvanikoak bi semipila ditu. Semipila horiek anodoa eta katodoa dira. Anodoan oxidazio erreakzioa gertatzen da eta bitartean, katodoan erredukzio erreakzioa. Semipila bakoitza metal-elektrodoz eta metal horren gatzaren disoluzioaz osatuta dago. Semipilan metala bi oxidazio-egoeratan dago eta bertan erredox erreakzioa gertatzen da:

M ⁿ⁺ (espezie oxidatua) + n e^-  ${\ce {<->}}$ M (espezie erreduzitua)

Bi semipilak gatz-zubi edo mintz-porodun batek bereizten ditu eta biak erreakzio elektrokimiko globala emateko konbinatzen dira. Erreakzio elektrokimiko globala gertatzeko, mintz-porodunak elektroi-fluxua ahalbidetzen du. Oxidazio erreakzioan askatutako elektroiak anodo-elektrodotik katodo-elektrodora joaten dira, bertan erredukzio erreakzioa gertatzeko. Bi norabideetara transferitutako elektroi kopurua berdina izan behar da.

Zelda galvanikoak energia elektrikoa iturri gisa erabiltzen dira, bere izaerarengatik korronte elektrikoa sortzen dutelako. Korronte elektrikoa sortzeko, gatzaren disoluzioak metalezko katioi bat izan behar du, baita katioiaren karga orekatzeko anioi bat ere. Ioi horien mugimendua ezinbestekoa da zirkuitu elektrikoa osatzeko. Beste aldetik, pila galvanikoaren tentsioa neurtzeko voltmetro bat konektatzen da eta honek bi semipilen potentzialen batura erakusten du. Voltmetro honen erresistentzia handia denez, korronte-fluxua oso txikia da.

Zelda galvanikoaren eskema

Irudi honetan, anodoan zink metalezko xafla zink sulfatozko disoluzioan murgilduta dago, eta katodoan kobrezko xafla kobre sulfatozko disoluzioan murgilduta ikus daiteke. Bertan gertatzen den erreakzio elektrokimikoa hau da:

${\ce {Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu}}$

Erreakzio honetan Zink elementua oxidatzen den bitartean kobrea erreduzitu egiten da.

Pilaren tentsioa

Pila galvaniko batek sortutako tentsioa erreakzio elektrokimikoan Gibbsen energía aske estandarraren aldaketatik atera daiteke.

Formula honetan F Faradayren konstantea da eta Ve transferitutako elektroi kopurua.

$Ezelda=-\left({\frac {\Delta _{r}G^{\circ }}{VeF}}\right)$

Hala ere, pila baten potentzial elektriko estandarra zehazteko, modu egokiagoa da potentzial estandarren taula erabiltzea. Hasteko, gelaxkan erreakzionatzen duten bi metalak identifikatu behar dira; ondoren, elektrodoaren potentzial estandarra (Eº) begiratzen da eta pilaren potentziala kalkulatzen da. Horretarako, erredukzio erreakzioaren potentzial estandarrari oxidazio erreakzioaren potentzial estandarra kendu behar zaio.

Erreakzio globala: ${\ce {Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu}}$

Elektrodoen potentzial estandarra:

Cu²⁺ + 2 e^-  Cu: E^o = + 0,34 V

Zn²⁺ + 2 e^-  Zn: E^o = - 0,76 V

Pilaren potentzial estandarra: Eº = 0,34 V - (-0,76 V)= 1,10 V

Gelaxkaren oreka konstantea (K) honela adieraz daiteke:

$K=exp\left({\frac {nFE^{\circ }}{RT}}\right)$

Non:

• F Faradayren konstantea da.
• R gas idealen konstantea da.
• T kelvin tenperatura da.

Daniell pilarentzat, K gutxi gorabehera 1,5×10³⁷ da. Beraz, orekan, elektroi gutxi batzuk baino ez dira transferitzen, elektrodoak kargatuta egon daitezen.

Erdigelaxken potentzial erreala Nernst ekuazioaren bitartez kalkulatzen da, solutuak egoera estandarrean egotea oso zaila baita:

$E=E^{\circ }-{\frac {RT}{nF}}lnQ$

Q erreakzioaren zatidura da. Erreakzioan ioien karga berdina izatekotan, ekuazioa sinplifikatu egiten da:

$E=E^{\circ }+2,303\cdot {\frac {RT}{nF}}log[M^{n+}]$

$M^{n+}$ ioi metalikoak disoluzioan duen aktibitatea da. Praktikan aktibitatearen ordez, kontzentrazioa erabiltzen da . Metal-elektrodoa bere egoera estandarrean dago eta aktibitate unitarioa du. Gelaxka osoaren potentziala lortzeko, bi erdigelaxken potentzialen arteko desberdintasuna kalkulatu behar da; beraz, potentziala disolbatutako bi ioi metalikoen kontzentrazioaren araberakoa da. Kontzentrazioak berdinak izatekotan:

$E=E^{\circ }$

$2,303{R \over F}$ ren balioa $1,9845x10^{-4}$ V/K da eta tenperatura 25º C-koa denean:

$E=E^{\circ }-{\frac {0,05918V}{Ve}}\log _{10}\{Mn^{n}+\}$

Formula horiek erreakzio kimiko guztiak orekan daudenean erabiltzen dira, baina zirkuituan korrontea igarotzen denean ezin dira oreka baldintzak lortu. Zeldaren tentsioa, oro har, hainbat mekanismoren bidez murrizten da, hala nola gainpotentzialen garapenaren ondorioz. Gainera, zeldak energia ekoizten duenean erreakzio kimikoak gertatzen direnez, elektrolitoen kontzentrazioak aldatzen dira eta zeldaren tentsioa gutxitzen da.

Zelden notazioa

Irudian ageri den zelda galvanikoa honela deskribatzen da:

(anodo) Zn_(s) | ZnSO_4(aq) || CuSO_4(aq) | Cu_(s) (katodo)

Beste aukera bat izan daiteke:

Zn_(s) | Zn²⁺_(aq) || Cu²⁺_(aq) | Cu_(s)

Non:

• (s)-ak solidoa adierazten du.
• (aq)-ak ingurune edo disoluzio urtsu bat esan nahi du.
• Barra bertikalak interfase bat adierazten du.
• Bi barra bertikalak bertan gatz-zubia dagoela adierazten du.