fizika za osnovce
Hemijski izvori električne struje
Elektrodni potencijal
Deo hemije koji proučava hemijske procese koji su u vezi sa električnom strujom je elektrohemija. Supstance koje su zastupljene u elektrohemijskim ispitivanjima jesu elektroliti, jer su njihovi rastopi i rastvori elektroprovodljivi.
Kada se metalna pločica ubaci u vodeni rastvor soli tog metala, na površini pločice uspostavlja se ravnoteža prelaska jona u rastvor, i jona iz rastvora na pločicu. Jednačine procesa na pločicama u sličaju bakra i cinka uronjenih u rastvore njihovih soli mogu se predavati na sledeći način:
Sa leve strane gornjih jednacina nalaze se oksidovani oblici, a sa desne strane jednačina redukovani oblici bakra i cinka.
Ukoliko metal lako prelazi u jonski oblik, kao što je u slučaju cinka, površina pločice biće negativno naelektrisana, a rastvor pozititvniji u odnosu na nju, tj. pločica će imati negativni elektrićni potencijal u odnosu na rastvor. Ukoliko se matal, na primer bakar koji nema izdraženu težnju otpuštanja elektrona, uroni u rastvor svoje soli, imaće pozitivan elektrićni potencijal u odnosu na okolni rastvor. Razlika u naelektrisanju pločice i rastvora predstavlja razliku električnih potencijala.
Ravnoteža se može uspostaviti i u slučaju redoks-parova pod kojih nije zastupljen metal, a za njeno uspostavljanje koristi se površina slabo reaktivnog metala. Na primer, ukoliko je potrebno ispitati ravnotežu redoks-para vodonika i jona vodonika, pri čemu nije moguće napraviti elektrodu od gasovitog vodonika, može se koristiti platinska pločica. Kada se ova pločica uroni u rastvor u kojem postoje pozitivni joni vodonika, a uvodi gasovit vodonik, na njoj se uspostavlja ravnoteža ovog redoks-para.
Jednačina ravnoteže redoks-para vodonika i jona vodonika
Pločica na kojoj se uspostavlja ravnotežni proces jedne polureakcije, tj. oskidacije i redukcije redoks-para je elektroda. Električni potencijal elektrode je elektrodni potencijal. Elektrodni potencijal se uobičajeno uznačava sa E i izražava u voltima (V). Elektrodni potencijal jedne elektrode ne može se direktno meriti. U takvim slučajevima odabira se referentna vrednost, odnosno u ovom sličaju referentna elektroda za koju se dogovorom utvrđuje vrednost njenog elektrodnog potencijala. Tako je u Stokholmu 1953, godine za potebe određivanja elektrodnih potencijala supstanci dogovoreno da je elektrodi potencijal redoks-para 2H⁺ /H₂ jednak 0 V, pri koncentraciji jona vodonika 1mol/dm³, parcijalnom pritisku gasovitog vodonika 101,3 kPa i standardnoj temperaturi od 25°C. Takva elektroda jeste standardna vodonična elektroda.
Elektrodni potencijal jednog redoks-para ne primer Zn²⁺ /Zn, može da se meri poređenjem u odnosu na standardnom vodoničnu elektrodu.
Merenje se izvodi tako što se u jednoj posudi formira ovaj redoks-par, ta posuda spoji sa drugom u kojoj je standardna vodonična elektroda i na taj način uspostavi strujno kolo. Kao kontakt između rastvora elektrolita i spoljašnjeg dela kola, koji čine metalne žice, služe cinkana i plastinska elketroda. Na ovim pločicama dešavaju se oksidacije, odnosno redukcija. Deo električnog kola čini i uređaj za merenje razlike elektrodnih potencijala, odnosno elektromotorne sile, što je uobičajeno voltmetar. Da bi se obezbedio protok električne struje, u kolo se postavlja i elektrolitički ključ ispunjen elektrolitom (NaNO3) koje ne učestvuje u reakcijama na elektrodama.
U ovom kolu spontano se dešavaju reakcije oksidacije atoma cinska i redukcije jona vodonika.
_gif.gif)
Jednačina oksidacije atoma cinka
_gif.gif)
Jednačina redukcije jona vodonika
Na cinskanoj elektrodi dešava se oksidacija, jer cink ima veći težnju da se oksiduje ukoliko je u sprezi sa vodoničnim redoks-parom (cink je levo u odnosu na vodonik u naponskom nizu metala). Zbog toga pločica na kojoj se dešava oksidacija cinka postaje negativno naelektrisana, i to je anoda, a pločica na kojoj se dešava redukcija jona vodonika katoda.
Katoda je elktroda na kojoj se dešava proces redukcije, a anoda elektroda na kojoj se dešava proces oksidacije.
Ukupna jednačina reakcije koja se dešava posredstvom elektroda u datom sistemu može se predstaviti na sledeći način:
_gif.gif)
Pri standardnim uslovima i koncentracijama jona cinska ivodonika od 1mol/dm³, kao i pritisku vodonika od 101,3 kPa, voltmetar pokazuje 0,76 V. Ta vrednost predstavlja elektromotornu silu datog sistema.
Elektromotorna sila se izračunava kao razlika potencijala katode i anode, kada kroz kolo ne protiče struja:
_gif.gif)
S obzirom na to da je vodonična elektroda katoda, cinkana anoda elektromotorna sila je jednak razlici elektrodnih potencijala vodonična i cinkane elektrode:
_gif.gif)
Elektrodni potencijal standardne vodonične elektrode jednak je 0,00 V, pa elektrodni potencijal cinkane elektrode ima vrednost -0,76V:
_gif.gif)
Na osnovu razlike elektrodnih potencijala može se odrediti elektrodni potencijal bilo kog redoks-para, vezivanjem u električno kolo sa standardnom vodoničnom elektrodom ili bilo kojom drugom elektrodom poznatog elekrodnog potencijala.
Vrednost elektrodnog potencijala određena je prirodom redoks-para, koncentracijama, odnosno parcijalnim pritiscima redukovanog i oksidovanog obilka, uslovima pri kojima se elektrodni potencijal meri, kao i brojem razmenjenih elektrona.
Ukoliko su koncentracije supstanci jednake 1mol/dm³, odnosno parcijalni pritisak gasovitih supstanci jednak 101,3 kPa, a uslovi odgovaraju standardnim uslovima, elektrodni potencijal zavisi samo od prirode redoks-para, tj. jednak je standardnom elektrodnom potencijalu datog redoks-para. Za poređenje osidacione, odnosno redukcione moći dovoljno je koristiti upravo vrednost standardnog elektrodnog potencijala supstanci čija je vrednost odrđena za veliki broj različitih hemijskih vrsta.
Galvanski spreg
Kada se formira električno kolo kao u slučaju određivanja elektrodnog potencijala cinka takav sistem jeste galvanski spreg. Galvanski spreg predstavlja elektrohemijski sitem u kojem se hemijska energija pretvara u električnu energiju.
Galvanski spreg se satoji od dve polućelije, u jednoj se dešava oksidacija, au drugoj redukija. Elektroda na kojoj se dešava oksidacja je anoda, a druga elektroda u kojoj se dešava redukcija je katoda. Smer elktroda ide uvek od anoda ka katodi, aodgovara smeru spontanog prenosa elektrona sa redoks-para manjeg elektrodnog potencijala na redoks-par većeg elektrodnog potencijala.
Ukupna jednačina reakcije koja se dešava u spregu redoks-parova cinka i vodonika data je jednačinom:
Kraći zapis galvanskog sprega jeste:
Zn(s)|ZnSO4(aq) (c = 1mol/dm³)||HCL(aq) (c = 1mol/dm³)|H2 (p = 101,3 kPa), Pt(s)
Svaki galvanski spreg karakteriše određena vrednost elektromotorne sile. Elektromotorna sila predstavlja razliku elektrodnih potencijala katode i anode, kada kroz kolo ne protiče struja i uvek ima pozitivnu vrednost. Njena vrednost se može izmeriti voltmetrom.
U slučaju opisanog galvanskog sprega elektromotorna sila jednaka je:
ε = EK – EA = E(Zn2+/Zn) = 0.00 V – (-0,76 V) = 0,76 V
Važan galvanski spreg jeste Danijelov spreg. Ovaj sespregsastoji od cinkane i bakarne elektrode uronjene u rastvore njihovih soli, pri čemu su polućelije spojene metalnim provodnicima i elektrolitičkim ključem, tako da postoji zatvoreno strujno kolo.
Zn(s)|ZnSO4(aq) (c = 1mol/dm³ ) || CuSO4(aq) (c = 1mol/dm³ ) |Cu(s)
U Danijelovom spregu spontano se dešava oksidoredukciona reakcija kada su polućelije u kontaktu i može se prikazati jednačninom:
Zn(s) + Cu²⁺(aq) ↔ Zn²⁺(aq) + Cu(s)
Cinkana elektroda predstavlja anodu, dok je bakarna elektroda katoda.
K(+): Cu²⁺(aq) + 2e⁻↔ Cu(s)
A(-): Zn(s) ↔ Zn²⁺(aq) + 2e⁻
Elektromotorna sila ovog sprega jednaka je:
Kada su koncentracije jona jednake 1 mol/dm3 elektrodni potencijali su jednaki standardnim elektrodnim potencijalima, a vrednost elektromotorne sile izračunava se kao razlika standardnih elektrodnih potencijala bakra i cinka.
Što je veća razlika između elektrodnih potencijala latode i anode veća je vrednost elektromotorne sile.
Kao glavni spreg može se koristiti i voće. Na primer, ukoliko se bakarna pločica ubaci u jednu jabuku, a cinkana u drugu, a zatim sve spoji metalnim provodnicima i poveže digitalnim časovnikom, kao potrošačem, dobija se električno kolo. Električna struja koja pri radu ovog prirodnog galvanskog sprega nastaje dovoljna je da pokrene mehanizam časovnika.
Električni izvori električne struje u svakodnevnom životu
Galvanski spregovi se u velikoj meri koriste u svakodnevnom životu. Na principu galvanskog sprega rade sve poznate baterije i akumulatori. To su hemijski izvori električne struje i obično se sastoje od više galvanskih ćelija. Najpoznatiji i jedan od najranijih galvanskih spregova bio je Leklanšenov galvanski spreg, nazvan po francuskom izumitelju i naučnikun Žoržu Leklanšeu. Današnje baterije liče na Leklanšeovu i sastoje se od cinkane anode, grafitne katode koja je obavijena smešom mangan(IV)-oksida i čađi, kao i elektrolita koji predstavlja gusta smeša amonijum-hlorida, cink-hlorida i želatina. Reakcija u jednoj takvoj bateriji može se predstaviti sledećom jednačinom:
