Galvaniskais elements

Galvaniskais elements (par godu Luidži Galvāni) jeb voltiskais elements (par godu Alesandro Voltam) ir elektroķīmiskā šūna, kuru ieslēdzot elektriskajā ķēdē, no ķīmiskās enerģijas tiek iegūta elektriskā enerģija. Elements sastāv no diviem metālu, metālu oksīdu vai pusmetālu (visbiežāk grafīta) elektrodiem, kuri atrodas brīvus jonus saturošā vielā (elektrolītā) un kuriem ar šo vielu mijiedarbojoties, rodas līdzstrāva.

Galvaniskā elementa apzīmējums elektriskajās shēmās

Elektroķīmiskie procesi

Elektroķīmiskie procesi ir heterogēni (uz fāžu — metāla / metāla oksīda / pusmetāla un elektrolīta — robežvirsmas notiekoši) oksidēšanās—reducēšanās (redoks.) procesi, kuru norise saistīta ar elektrisksā strāvas rašanos. Izšķir:

• patvaļīgi elektrodos notiekošas heterogēnas redoks. reakcijas, kuru rezultātā rodas līdzstrāva — attiecas uz galvanisko elementu;
• elektrodos notiekošas redoks. reakcijas, kuras izraisa caurplūstoša līdzstrāva no ārēja strāvas avota — attiecas uz elektrolīzi.

Elektroda sistēma (jeb vienkārši — elektrods) sastāv no vairākām fāzēm, vienkāršākajā gadījumā — no divām: elektronu vadāmības (metāls, metāla oksīds vai pusmetāls) un jonu vadāmības fāzes (elektrolīts, kas parasti ir sāļu ūdens šķīdums vai sāļu kausējums). Pastāv pirmā veida un otrā veida elektrodi:

Pirmā veida elektroda ar aktīvu metālu shematisks attēls

1. veida elektrods ir metāls, kurš iegremdēts tā paša metāla katjonu šķīdumā, piemēram, sudraba gabals sudraba nitrāta (AgNO₃, kurš ūdenī pastāv Ag⁺ katjonu un NO₃^- anjonu veidā) šķīdumā. Ja metāls ir aktīvs (cinks, dzelzs, kadmijs un citi), pozitīvie metāla joni pāriet elektrolīta šķīdumā, elektroniem paliekot uz metāla kristāliskās fāzes virsmas. Tādējādi metāla virsma iegūst noteiktu negatīvo lādiņu (to piešķir elektroni), šķīdums pie metāla robežvirsmas iegūst noteiktu pozitīvo lādiņu (to piešķir metāla katjoni) un rodas elektriskais dubultslānis — potenciālu starpība. Metāla pāriešanu elektrolītā jonu veidā (oksidēšanās) vispārīgi attēlo kā ${\ce {Me^{0}<=>Me^{n{+}}{+}ne-}}$. Ja metāls ir pasīvs (varš, sudrabs u.c.), pozitīvie metāli no elektrolīta šķīduma pāriet uz metāla kristālisko fāzi, tas ir, notiek adsorbcija. Tādējādi metāla virsma iegūst noteiktu pozitīvo lādiņu (to pieškir metāla katjoni), šķīdums pie metāla robežvirsmas iegūst noteiktu negatīvo lādiņu (to piešķir elektrolīta anjoni) un tāpat rodas elektriskais dubultslānis. Metāla jonu adsorbciju uz metāla virsmas (reducēšanās) vispārīgi attēlo kā ${\ce {Me^{n{+}}{+}ne^{-}<=>Me^{0}}}$.
2. veida jeb oksidēšanās—reducēšanās elektrods ir metāls ar tā paša metāla nešķīstoša savienojuma slāni, kurš iegremdēts šī nešķīstošā savienojuma anjonu šķīdumā, piemēram, sudraba gabals, kura virsmu klāj sudraba hlorīds, kālija hlorīda (KCl, kurš ūdenī pastāv K⁺ katjonu un Cl^- anjonu veidā) šķīdumā. Elektronu vadāmību nodrošina metāls, kurš konkrētos apstākļos ne oksidējas, ne reducējas (indiferents metāls). Jonu vadāmību nodrošina redoks. pāra oksidētās un reducētās formas elektrolīta šķīdums. Vienā elektrodā redoks. pāra reducētā forma atdod elektronus metālam un pāriet oksidētajā formā, citā elektrodā redoks. pāra oksidētā forma saņem no metāla elektronus un pāriet reducētajā formā. Tādējādi starp kristālisko un šķīduma fāzi tiek pārnesti elektroni un rodas potenciālu starpība.

Galvaniskā elementa uzbūve un darbība

Cinka—vara jeb Daniela—Jakobi galvaniskā elementa shematisks attēls, kurā elektrodi savienoti caur elektrisko pretestību jeb patērētāju (ārējā ķēde) un elektrolītisko tiltu (iekšējā ķēde). Šī elementa shēmas pieraksts: $A(-)Zn|ZnSO_{4}(c_{Zn^{2+}})||(c_{Cu^{2+}})CuSO_{4}|Cu(+)K$

Galvaniskais elements sastāv no ķēdē saslēgtiem, telpiski atdalītiem diviem dažādiem pirmā veida elektrodiem (viens metāls — aktīvs, veido anodu, otrs — pasīvs, veido katodu; katrs metāls iegremdēts savā elektrolītā, bet abiem elektrolītiem ir viens un tas pats anjons) vai diviem dažādiem otrā veida elektrodiem (vienā var norisināties tikai pirmā pusreakcija, otrā — tikai otrā pusreakcija).

Ja galvanisko elementu veido pirmā veida elektrodi, tā darbības laikā aktīvais metāls jonu veidā pāriet elektrolītā un atbrīvojušies elektroni pa ārējo ķēdi (vads, kas iet caur elektrisko pretestību) pārvietojas no anoda uz pasīvā (pozitīvākā) metāla elektrodu katodu, uz kura notiek šī pasīvā metāla jonu adsorbcija no elektrolīta uz tā virsmu. Līdzās elektronu pārnesei pa ārējo ķēdi norit jonu pārnese pa iekšējo ķēdi (elektrolītiskais tilts) koncentrācijas gradienta virzienā — aktīvā metāla joni (to koncentrācija palielinājusies, aktīvajam metālam oksidējoties) pārvietojas uz katoda elektrolītu, bet no katoda elektrolīta uz anoda elektrolītu pārvietojas elektrolīta anjoni (to koncentrācija palielinājusies, pasīvā metāla joniem reducējoties).

Galvaniskā elementa elektrodzinējspēku $EDS$ aprēķina pēc formulas

$EDS=E_{kat}-E_{an}$,

kur $E_{kat}$ ir pozitīvākā elektroda (katoda) potenciāls, $E_{an}$ ir negatīvākā elektroda (anoda) potenciāls.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Galvaniskais elements.

• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)