Најважније из лекције
Галвански елемент: Систем који претвара хемијску енергију оксидоредукције у електричну струју.
Електроде:
Скраћени запис: \(\text{Анода} \mid \text{Раствор соли} \parallel \text{Раствор соли} \mid \text{Катода}\).
Примена: Батерије (непуњиве/пуњиве) и акумулатори (реверзибилни извори који се пуне и празне).
Електроде:
- Анода (\(-\)): Оксидација (отпуштање електрона, метал са негативнијим потенцијалом, нпр. \(\text{Zn}\)).
- Катода (\(+\)): Редукција (примање електрона, јони метала са позитивнијим потенцијалом, нпр. \(\text{Cu}^{2+}\)).
Скраћени запис: \(\text{Анода} \mid \text{Раствор соли} \parallel \text{Раствор соли} \mid \text{Катода}\).
Примена: Батерије (непуњиве/пуњиве) и акумулатори (реверзибилни извори који се пуне и празне).
Галвански спрег (елемент) је електрохемијски систем у којем се хемијска енергија спонтане оксидоредукционе реакције директно претвара у електричну енергију.
Основа рада галванског елемента је разлика у редукционим способностима (електродним потенцијалима) два различита метала. Метал који лакше отпушта електроне шаље струју електрона преко спољашњег проводника ка металу који теже отпушта електроне (слабијем редукционом средству).
У спољашњем колу галванског елемента електрони увек путују са електроде са нижим (негативнијим) електродним потенцијалом на електроду са вишим (позитивнијим) електродним потенцијалом.
Данијелов спрег се састоји од цинкане плочице уроњене у водени раствор цинк-сулфата (\(\text{ZnSO}_4\)) и бакарне плочице уроњене у водени раствор бакар(II)-сулфата (\(\text{CuSO}_4\)). Раствори су повезани електролитичким кључем, а електроде проводником.
Анода (\(-\)) – електрода од цинка на којој се врши оксидација:
\[ \text{A(-)} \quad \text{Zn(s)} \rightleftharpoons \text{Zn}^{2+}\text{(aq)} + 2\text{e}^{-} \]
Катода (\(+\)) – електрода од бакра на којој се врши редукција:
\[ \text{K(+)} \quad \text{Cu}^{2+}\text{(aq)} + 2\text{e}^{-} \rightleftharpoons \text{Cu(s)} \]
\[ \text{Cu}^{2+}\text{(aq)} + \text{Zn(s)} \rightleftharpoons \text{Cu(s)} + \text{Zn}^{2+}\text{(aq)} \]
Молекулски облик: \(\text{CuSO}_4\text{(aq)} + \text{Zn(s)} \rightleftharpoons \text{Cu(s)} + \text{ZnSO}_4\text{(aq)}\)
Електролитички кључ (мост) је цев напуњена воденим раствором соли јаке базе и јаке киселине (нпр. \(\text{NaNO}_3\), \(\text{KCl}\)). Његова улога је да затвори струјно коло и омогући проток јона између полуелемената без учешћа у оксидоредукционој реакцији.
Галвански спрег се скраћено приказује тако што се полуелемент у коме се налази анода (оксидација) пише са леве стране, а полуелемент са катодом (редукција) са десне стране.
\[ \underbrace{\text{Zn(s)} \mid \text{ZnSO}_4\text{(aq)}}_{\text{анода (оксидација)}} \parallel \underbrace{\text{CuSO}_4\text{(aq)} \mid \text{Cu(s)}}_{\text{катода (редукција)}} \]
Једна усправна црта (\(\mid\)) означава фазну границу (чврсто/течно), а две паралелне црте (\(\parallel\)) означавају електролитички кључ.
Батерије су примарни хемијски извори електричне струје (састављени од једног или више спрегова).
- Алкалне батерије: као електролит садрже концентровани \(\text{KOH}\), а активне материје су цинк у праху, \(\text{MnO}_2\) и графит.
- Литијумске батерије: садрже метални литијум и безводни електролит.
Акумулатори су реверзибилни галвански спрегови који се могу вишекратно празнити и пунити:
- Пражњење: хемијска енергија се претвара у електричну енергију.
- Пуњење: под утицајем спољашњег извора струје, електрична енергија се претвара у хемијску енергију (регенерација реактаната).
Истрошене батерије и акумулатори представљају опасан отпад због садржаја токсичних тешких метала (\(\text{Cd}\), \(\text{Hg}\), \(\text{Pb}\), \(\text{Ag}\)), па се морају посебно сакупљати и рециклирати.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који се електрохемијски процес одиграва на аноди, а који на катоди у галванском спрегу? Који су знаци поларитета ових електрода?
У галванском спрегу:
- На аноди се увек одиграва процес оксидације (отпуштање електрона) и она је негативан пол (\(-\)).
- На катоди се увек одиграва процес редукције (примање електрона) и она је позитиван пол (\(+\)).
Задатак 2 (средњи): Галвански спрег је представљен следећим скраћеним записом:
\[ \text{Mg(s)} \mid \text{Mg}^{2+}\text{(aq)} \parallel \text{Pb}^{2+}\text{(aq)} \mid \text{Pb(s)} \]
а) Одредити која је плочица анода, а која катода.
б) Написати једначине хемијских реакција на електродама и укупну реакцију.
б) Написати једначине хемијских реакција на електродама и укупну реакцију.
а) Према правилу записивања:
- Магнезијум (\(\text{Mg}\)) је са леве стране, дакле он је анода (\(-\)).
- Олово (\(\text{Pb}\)) је са десне стране, дакле оно је катода (\(+\)).
- Анода (оксидација): \(\text{Mg(s)} \rightarrow \text{Mg}^{2+}\text{(aq)} + 2\text{e}^{-}\)
- Катода (редукција): \(\text{Pb}^{2+}\text{(aq)} + 2\text{e}^{-} \rightarrow \text{Pb(s)}\)
- Укупна реакција: \(\text{Mg(s)} + \text{Pb}^{2+}\text{(aq)} \rightarrow \text{Mg}^{2+}\text{(aq)} + \text{Pb(s)}\)
Задатак 3 (тежак): Објаснити зашто се акумулатори сматрају реверзибилним галванским спреговима, за разлику од стандардних примарних батерија, и навести трансформације енергије током њиховог циклуса рада.
Акумулатори су реверзибилни јер се хемијске реакције које се у њима одвијају током пражњења могу преокренути у супротном смеру довођењем електричне струје из спољашњег извора (пуњење).
Трансформације енергије:
Трансформације енергије:
- При пражњењу: Хемијска енергија спонтане реакције претвара се у електричну енергију (акумулатор ради као галвански елемент).
- При пуњењу: Електрична енергија из спољашњег извора се троши и претвара у хемијску енергију, чиме се обнављају полазне супстанце (електроде и електролит).
