______________________________________________________________________________________________

Elemente galvanice

1. Definiţia elementelor galvanice. Tensiunea electromotoare. Reacţii de

electrod, Reacţii de celulă

Elementele galvanice (pile electrice) sunt sisteme care produc energie electrică din

energie chimică. În cazul cel mai simplu, ele sunt constituite dintr-un lanţ electrochimic format

din două metale reunite printr-un electrolit (soluţie, topitură, mai rar solid). În cazul general,

lanţul lor electrochimic este format din mai multe faze conducătoare în contact, din care cel puţin

una este conductor ionic (soluţie de electrolit), iar cele două faze terminale sunt metale.

Pentru cazul cel mai simplu când elementul este format din doi conductori electronici:

MI şi MII uniţi prin soluţia unui electrolit, el se va nota prin:

MI/soluţie de elctrolit/MII (1)

MI/soluţie de electrolit/MII/MI (2)

1 2 3 4 = 1

Practic egalitatea de material a celor două faze terminale se realizează şi atunci când cele

două metale diferite MI şi MII sunt aduse în legătură electrică directă cu un instrument de măsură,

întrucât bornele instrumentului fiind constituite din acelaşi material (de obicei Cu), cele două

metale diferite MI şi MII trec în acelaşi metal.

Fig. 1. Element galvanic simplu

1

______________________________________________________________________________________________Elementul galvanic poate conţine între cele două faze terminale mai multe faze

conducătoare: straturi acoperitoare ale metalelor, precipitate, mai multe soluţii de electrolit.

Aşadar un element galvanic complex ar putea avea forma indicată în Fig. 2. S-a ales un exemplu

în care metalul MI este acoperit cu un strat acoperitor A (oxid, combinaţie greu solubilă), iar

metalele MI şi MII care formează electrozii diferă de metalul MIII al conductorului de legătură. De

asemenea cele două metale sunt cufundate în două soluţii de electrolit diferite; ElI şi ElII care sunt

aduse în contact prin intermediul unei diafragme. Lanţul electrochimic al acestui element are

forma:

MIII/MI/A/ElI/ElII/MII/MIII (3)

La fiecare interfaţă din lanţul electrochimic al elementului apare un salt de potenţial.

Însumarea algebrică a acestor căderi de potenţial dă tocmai tensiunea electromotoare a

elementului. Astfel elementul având lanţul reprezentat prin relaţia (2), prezintă trei salturi de

potenţial corespunzător celor trei limite de separaţie: ΔΦ1-2 (între MI şi soluţia de electrolit), ΔΦ2-

3 (între soluţia de electrolit şi MII) şiΔΦ3-1 (între MII şi MI). Prin însumarea acestor căderi de

potenţial rezultă:

ΔΦ= ΔΦ1-2 + ΔΦ2-3+ ΔΦ3-1 =(Φ1+Φ2)+(Φ2+Φ3)+(Φ3+Φ4)=Φ1-Φ1´=E (4)

adică s-a obţinut tocmai tensiunea electromotoare E, care prin definiţie reprezintă diferenţa dintre

potenţialele Galvani a celor două faze terminale. În acelaşi fel şi tensiunea electromotoare a unui

element galvanic complex se obţine prin însumarea căderilor de potenţial existente la diverse

limite de fază.

2

______________________________________________________________________________________________

Fig. 2. Element galvanic complex

Scurtcircuitând cele două faze metalice terminale într-o rezistenţă, un instrument legat în

serie va indica trecerea unui curent electric. Fără îndoială că el este cauzat tocmai de existenţa

tensiunii electromotoare, dar mecanismul trecerii lui, respectiv reacţiile chimice care îl generează,

le vom discuta mai bine pe baza unor exemple concrete de elemente galvanice.

Primul element galvanic a fost construit de A. Volta la sfârşitul sec XVIII, fiind alcătuit

dintr-o serie de plăci de cupru şi zinc despărţite prin bucăţi de stofă îmbibate cu soluţie de H 2SO4.

Lanţul electrochimic al acestui element are foma:

Zn/H2SO4/Cu (5)

Scurtcircuitând placa de Cu cu cea de Zn printr-o rezistenţă, un instrument va indica

trecerea unui curent de la Cu la Zn. În acest fel, electrodul de Cu este polul pozitiv, iar electrodul

de Zn polul negativ al elementului.

Cu toată imperfecţiunea tehnică, elementul Volta a permis realizarea unei serii întregi de

cercetări importante. Mai târziu s-au formulat o serie de întrebări:

– Pe baza căror surse energetice se produce lucrul electric al elementului galvanic?

– În ce parte a elementului, care este un sistem destul de complex, apare tensiunea

electromotoare?

Rezolvarea acestor probleme a necesitat apoape un secol. Volta a emis aşa-zisa teorie de

contact a tensiunii electromotoare, conform căreia tensiunea electromotoare a elementului

galvanic este localizată la locul de contact a două metale. Este adevărat că în elementul Volta

descris, reprezentat de ecuaţia (5), nu există limită de contact între metale, însă pentru măsurarea

3

______________________________________________________________________________________________tensiunii electromotoare, respectiv pentru ca elementul să debiteze curent, el trebuie închis printr-

un circuit exterior, ceea ce va aduce la apariţia unui contact metal/ metal. Teoria contactelor nu

poate da o explicaţie satisfăcătoare referitoare la energia electrică furnizată de element.

Abia în 1857 August De la Rive emiţând aşa-zisa teorie chimică a tensiunii

electromotoare a elementului, a indicat contactul metal/electrolit ca loc de apariţie a tensiunii

electromotoare.

Constatându-se că în timpul debitării de curent de către curent de către element la

suprafaţa electrozilor au loc reacţii electrochimice (electronare şi deelectronare), teoria chimică a

indicat just sursa de energie a elementului, arătând că ea apare tocmai datorită transformărilor

chimice în element. Legătura dintre curentul generat de element şi reacţiile chimice care se

produc în el a fost formulată de Faraday.

Trecerea unui curent electric de la electrodul drept la electrodul stâng printr-un circuit

exterior este evident însoţită de trecerea aceluiaşi curent în interiorul soluţiei, de la electrodul

stâng la electrodul drept. Trecerea unui curent electric prin sistemul metal/soluţie de

electrolit/metal este obligatoriu însoţită (generată) de un proces de deelectronare la un electrod şi

de un proces de electronare la celălalt. S-a arătat că electrodul la care are loc un proces de

deelectronare se numeşte anod, iar cel pe care are loc un proces de reducere – catod. Reacţiile

electrochimice care au loc la electrozi se numesc reacţii de electrod, iar suma lor, reacţii de

celulă.

În mod concret, în cazul elementului Volta, având lanţul electrochimic dat de relaţia (5),

trecerea unui curent exterior de la electrodul de Cu la cel de Zn, este însoţită (generată) de

următoarele reacţii de electrod:

Reacţiile de electrod ce au loc sunt:

electrodul de Zn: Zn→Zn2+ + 2e- (6)

electrodul de Cu: 2H+ + 2e- →H2 (7)

Reacţia de celulă, care este suma celor două reacţii de electrod va fi:

Zn + 2H+ → Zn2+ + H2 (8)

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2 (9)

Se observă că în urma desfăşurării celor două reacţii de electrod pe electrodul de Zn

(care devine anod întrucât pe el are loc o reacţie de deelectronare) apare un surplus de electroni,

în timp ce pe electrodul de Cu (care în urma desfăşurării pe el a unei reacţii de electronare devine

catod), se consumă electroni. Datorită acestui fapt, surplusul de electroni de pe anod (Zn) se vor

4

______________________________________________________________________________________________deplasa spre catod (Cu), ceea ce este în acord cu sensul convenţional al curentului, reprezintă un

curent pozitiv, de la catod la anod, lucru constat experimental.

5