Bevezetés a galváncellák elméletébe

Az előző videóban láttuk, hogy ha szilárd cinket réz-szulfát oldatába helyezünk, a cink elektronokat fog átadni az oldat rézionjainak. Így cinkkationok kerülnek az oldatba, mely fokozatosan cink-szulfát–oldattá alakul. Eközben a rézionok két elektront leadnak, és szilárd elemi rézzé alakulnak, amely az oldatból kicsapódik. Láttuk a reakciót: szilárd cink és oldott réz-szulfát, meg a víz, mivel vizes oldat. Ebből csapódik ki a réz, ezért lesz ez cink-szulfát–oldat. A cink oxidálódott, leadott két elektront. Semlegesből pozitívvá alakult át, a rézion pedig pozitívból semlegessé. A rézion felvette a leadott két elektront. A cinket oxidálta a réz, azaz a cink elektronokat adott át a réznek. A rezet redukálta a cink, a töltését csökkentette. A réz elektront vett fel a cinktől. Ez egy érdekes redoxireakció. Valami oxidálódott, valami redukálódott. De érdekesebb volna, ha a két félreakciót térben el tudnánk egymástól különíteni, és az elektronokat egy vezetéken áramoltatnánk át. Miért volna érdemes az elektronokat egy vezetéken átáramoltatni? A vezetékben áramló elektronok elektromos áramot jelentenek. Az áramot pedig hasznosítani lehet, pl. hajthat egy motort, lámpát, vagy más elektromos berendezést. Ha meg tudjuk ezt valósítani, tulajdonképpen egy elemet kapunk. Ha ezt működésben tudjuk tartani, ha fenn tudjuk tartani az áramot, lesz egy galvánelemünk. Ezen az ábrán egy galvánelem látható. Ebben a két félreakció térben el van különítve egymástól; egy vezeték köti össze a két térfelet. A cink át tudja adni a réznek az elektronokat, de úgy, hogy ez a vezetéken keresztül történik, és ott elektromos áramot hoz létre. Gondoljuk meg, miért is működik ez! Itt szilárd cink található. Megbeszéltük már, hogy ez könnyen ad át elektronokat a rézionnak. A réz pedig könnyen felveszi őket, mivel magasabb a standardpotenciálja. A cink tehát lead két elektront, pozitív töltésű cink-kationná alakul, és feloldódik a vízben. Miután töltése van, könnyen feloldható egy olyan poláris oldószerben, mint a víz. Mi lesz ezzel a két elektronnal, hova mehetnek? Eljuthatnak a rézre az pedig felveheti őket. A cink és a réz egyaránt kiváló elektromos vezető. Mindkettő a fémek közé tartozik, delokalizált elektronokat tartalmaznak. Az elektronok könnyen mozognak a fémekben. Itt ez a két elektron, zölddel jelölöm őket. Eljutnak a fém felületére, ahol a rézrúd találkozik a réz-szulfát–oldatban található rézionnal. Itt a rézkation, amely, mikor találkozik az elektronokkal, felveszi őket, és semlegessé alakul. Semleges formába alakulva kicsapódik az oldatból, lerakódik a rézrúdra. Felmerülhet a kérdés: ha egyre több pozitív cinkion kerül be ide, nem borul-e fel az egyensúly? Ha túlzottan pozitív lesz az oldat, az elektronok már kevésbé akarnak távozni. Tehát miközben ez nagyon- nagyon pozitívvá válik, itt pedig a pozitív részecskék, a rézkationok felvesznek elektronokat, az oldat egyre negatívabbá válik. Több szulfátion marad benne, és kevesebb pozitív töltésű rézion. Mit tehetünk, hogy ez ne történjen meg nagyon gyorsan? A megoldás a sóhíd használata. A sóhíd az előbb említett hatást küszöböli ki: mindkét oldalon semlegesíti az előbb említett töltésfeleslegeket. Folyékony nem lehet, mivel akkor minden kifolyna belőle. Képzeljünk el inkább egy sós gélt. Az ábrán nátrium-szulfát a só. Egy szulfátanionra két nátriumkation jut. Mi fog itt történni? Ahogy ebbe az oldatba egyre több cinkkation kerül be, egyre nagyobb lesz a pozitív töltés, a negatív szulfátionok ide akarnak jönni innen a sóhídból. Ugyanakkor itt el akarják hagyni negatív társaikat, itt a jobb oldali oldatban, be akarnak áramolni a sóhídba, az eleve ott levők pedig át akarnak menni a bal oldalra. Ehhez hasonlóan az itteni nátriumion is megy semlegesíteni a jobb oldali oldatot. A nátrium ebbe az irányba megy, és semlegesíti az itteni negatív töltéseket. Így mindkét oldatban kiküszöbölődik a pozitív, illetve negatív töltések felhalmozódása, egyúttal folyik tovább az áram az áramkörben, és hasznosan fel lehet használni.