19/10/2014
Elektrokemijski članak :
Elektrokemijski članak je uređaj koji proizvodi električnu struju iz energije otpuštene spontanom redoks reakcijom. Ovoj vrsti članka pripadaju Galvanski ili Voltin članak, nazvani po znanstvenicima, Luigiju Galvaniju i Alessadru Volti, koji su tijekom 18. stoljeća provodili eksperimente o kemijskim reakcijama i električnoj struji.
Elektrokemijski članci sastoje se od dvije vodljive elektrode: anode na kojoj se odvija oksidacija i katode na kojoj se odvija redukcija. Između tih elektroda nalazi se otopina, elektrolit, unutar koje se ioni mogu slobodno kretati. Uvjet koji elektroda mora zadovoljavati da bi se koristila u elektrokemijskom članku je vodljivost. Iz tog razloga, kao elektroda se može koristiti bilo koji dovoljno vodljiv materijal. To su primjerice vodljivi metali, poluvodiči, grafit, te vodljivi polimeri.
Galvanski članak sastoji se od dviju različitih metalnih elektroda uronjenih u otopinu elektrolita. Na jednoj elektrodi, anodi, odvija se oksidacija dok se na drugoj, katodi, odvija redukcija. Metal s anode otpušta elektrone, tj. oksidira se, pri čemu iz oksidacijskog stanja 0 prelazi u pozitivno nabijeni ion. Na katodi, ioni metala koji se nalazi u otopini, primaju iste te elektrone i reduciraju se u oksidacijsko stanje 0 (u čvrsto stanje). Taj proces dobivanja metala u čvrstom stanju (oksidacijskog stanja 0), na katodi, naziva se elektrodepozicija. Važan preduvjet za odvijanje elektrodepozicije jest međusobna povezanost elektroda. Naime, da bi protok elektrona s anode na katodu bio moguć, one moraju biti međusobno povezane. Upravo taj protok elektrona jest zapravo električna struja koja se potom može koristiti za rad (npr. za paljenje motora, svjetla, itd.)
Galvanski članak čije su elektrode cink i bakar uronjene u otopine cinkovog sulfata (ZnSO4), tj. bakrovog sulfata (CuSO4), naziva se Daniellov članak. U Daniellovu članku anoda je metal cinka uronjen u otopinu ZnSO4 dok je katoda žica bakra uronjena u otopinu CuSO4. Na anodi se odvija oksidacija (cink gubi elektrone) pri čemu u otopini nastaju pozitivno nabijeni ioni cinka. Elektrone koje je cink otpustio primaju ioni bakra koji se pritom elektrodeponiraju na katodi. Polureakcije za Daniellov članak su:
Zn elektroda (anoda): Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2e–
Cu elektroda (katoda): Cu2+ (aq) + 2e– → Cu (s)
Budući da se u ovoj vrsti članka protok elektrona, a time i proizvodnja električne struje odvijaju spontano, članak zapravo predstavlja jednostavnu bateriju. Primjenom određenog potencijala moguće je istu reakciju provesti u suprotnom smjeru. U tom slučaju doći će do elektrodepozicije metalnog cinka na anodi dok će ioni bakra nastati na katodi. Da bi se bilo koja od ovih reakcija mogla realizirati, neophodno je da otopine budu međusobno odvojene. U protivnome, ioni bakra direktno će reagirati sa cinkom:
Cu2+ (aq) + Zn (s)→ Cu (s) + Zn2+ (aq)
Isto tako, da bi se zatvorio električni krug, otopine moraju biti povezane vodljivim medijem koji s jedne strane omogućuje protok iona između elektroda, dok s druge pak ne dozvoljava miješanje elektrolita. Taj uvjet moguće je zadovoljiti primjerice elektrolitnim mostom. Najjednostavniji oblik elektrolitnog mosta je U-cijev koja se sastoji od inertne otopine elektrolita (npr. KCl ili NH4NO3) čiji ioni ne reagiraju s drugim ionima iz otopine ili pak s elektrodama. Koristi li se u elektrolitnom mostu primjerice otopina KCl-a, tijekom odvijanja redoks reakcije (Jednadžba 1), elektroni će preko žice putovati od anode (Zn elektroda) do katode (Cu elektroda), kationi iz otopine (Zn2+, Cu2+ i K+) prema katodi, a anioni (SO42– i Cl–) prema anodi. Protok kationa i aniona odvije se preko solnog mosta. Bez njega bi došlo do nakupljanja pozitivnog naboja u anodnom dijelu, tj. negativnog naboja u katodnom dijelu što bi vrlo brzo onemogućilo rad članka.
Razlog protjecanja električne struje od anode prema katodi je u razlici njihovih električnih potencijala. Tu razliku moguće je mjeriti voltmetrom. Galvanski članak moguće je prikazati i shematski. Primjerice, shematski prikaz Daniellova članka, uz pretpostavku da koncentracije Zn2+ i Cu2+ iznose 1 mol dm–3 (1 M) je:
Zn (s) | Zn2+ (1M) ||Cu2+ (1 M) | Cu (s)
Prvo se piše reducirani oblik metala koji se oksidira na anodi (Zn). Vertikalna linija kojom je Zn (s) odvojen od oksidiranog oblika (Zn2+) predstavlja granicu faza (promjenu oksidacijskog stanja). Dvostruka vertikalna linija predstavlja elektrolitni most. Isto tako, oksidirani oblik metala koji se reducira na katodi (Cu2+) odvojen je drugom vertikalnom linijom od reduciranog oblika (Cu). Budući da su koncentracije elektrolita vrlo važne prilikom određivanja potencijala članka, one su također naznačene u shematskom prikazu.
