갈바닉 셀 또는 볼타 전지 용액에 화합물 자발적인 반응을 활성화하는 두 개의 절반 셀에 침지 개의 상이한 금속으로 구성하는 전기 화학 셀의 한 유형이다.
그런 다음 반쪽 전지 중 하나의 금속 중 하나가 산화되고 다른 반쪽 전지의 금속이 환원되어 외부 회로를 통해 전자 교환이 이루어집니다. 이것은 전류를 이용할 수있게한다.
그림 1. 갈바니 전지의 구성 및 부품. 출처 : corinto.pucp.edu.pe.
"갈바닉 전지"라는 이름은 전기 실험의 선구자 중 한 명인 이탈리아의 의사이자 생리학자인 Luigi Galvani (1737-1798)를 기리기위한 것입니다.
Galvani는 1780 년에 다른 금속으로 된 케이블이 한쪽 끝에서 연결되고 자유 끝이 (죽은) 개구리의 뭉치에 닿으면 수축이 발생한다는 것을 발견했습니다.
그러나 전기를 생산하기 위해 전기 화학적 전지를 최초로 구축 한 것은 1800 년 이탈리아 Alessandro Volta (1745-1827) 였기 때문에 Voltaic 전지의 다른 이름이되었습니다.
갈바니 전지의 일부
갈바니 전지의 부품은 그림 1에 나와 있으며 다음과 같습니다.
1.-양극 세 미셀
2.- 양극 전극
3.- 양극 솔루션
4.- 음극 세 미셀
5.- 음극 전극
6.- 음극 솔루션
7.- 식염수 다리
8.- 금속 도체
9.- 전압계
작동
갈바닉 전지의 작동을 설명하기 위해 우리는 더 낮은 것을 사용할 것입니다.
그림 2. 갈바니 전지의 교훈적인 모델. 출처 : slideserve.com
갈바니 전지의 기본 아이디어는 산화 반응을 겪는 금속이 환원되는 금속과 물리적으로 분리되어 전류의 흐름을 활용할 수있는 외부 도체를 통해 전자 교환이 발생한다는 것입니다. 예를 들어 전구 또는 LED를 켜십시오.
그림 2에서 왼쪽 절반 셀에는 황산구리 용액 (CuS0 4 )에 담근 금속 구리 (Cu) 테이프 가 있고 오른쪽 절반 셀에는 아연 (Zn) 테이프가 담겨 있습니다. 황산 아연 용액 (ZnSO 4 ).
각 반쪽 전지에서 각각의 금속은 두 가지 산화 상태로 존재합니다 : 중성 금속 원자와 용액에서 동일한 금속의 염의 금속 이온.
금속 테이프가 외부 전도성 와이어로 결합되지 않은 경우 두 금속은 각각의 셀에서 별도로 산화됩니다.
그러나 전기적으로 연결되어 있기 때문에 Zn에서는 산화가 일어나고 Cu에서는 환원 반응이 일어난다. 이는 아연의 산화도가 구리의 산화 정도보다 크기 때문입니다.
산화 된 금속은 외부 도체를 통해 환원되는 금속에 전자를 제공하고이 전류 흐름을 활용할 수 있습니다.
산화 및 환원 반응
아연 금속 전극과 황산 아연 수용액 사이의 오른쪽에서 일어나는 반응은 다음과 같습니다.
아연 O (S) + 아연 2+ (SO 4 ) 2 → 2 아연 2+ (AC) + (SO 4 ) 2 + 2 전자 -
오른쪽 반쪽 전지의 양극 전극 표면에있는 아연 원자 (고체)는 용액에있는 아연의 양이온에 의해 자극되어 두 개의 전자를 포기하고 전극에서 분리되어 다음의 이중 양이온으로 수용액에 전달됩니다. 아연.
우리는 결과적으로 금속에서 중성 아연 원자가 두 전자의 손실을 통해 수용액에 추가되는 아연 이온이되어 아연 막대가 하나의 원자를 잃고 용액은 양성 이중 이온을 얻었습니다.
방출 된 전자는 외부 와이어를 통해 다른 양으로 하전 된 반쪽 전지 (음극 +)의 금속쪽으로 이동하는 것을 선호합니다. 아연 막대는 원자가 점차 수용액으로 들어가면서 질량을 잃고 있습니다.
아연 산화는 다음과 같이 요약 할 수 있습니다.
아연 O (들) 아연 → 2 + (AC) + 2 전자 -
왼쪽에서 일어나는 반응은 비슷하지만 수용액의 구리는 (다른 반쪽 셀에서) 두 개의 전자를 포착하여 구리 전극에 증착됩니다. 원자가 전자를 집어 들면 환원된다고합니다.
구리 환원 반응은 다음과 같이 작성됩니다.
구리 2+ (AC) + 2 전자 - → 구리 오 (들)
용액의 이온이 막대로 전달됨에 따라 구리 막대가 질량을 얻고 있습니다.
산화는 전자를 밀어내는 양극 (음)에서 발생하고 환원은 전자를 끌어 당기는 음극 (양)에서 발생합니다. 전자 교환은 외부 도체를 통해 발생합니다.
소금 다리
소금 다리는 두 개의 반쪽 세포에 축적되는 전하의 균형을 유지합니다. 양이온은 양극 반쪽 전지에 축적되는 반면 음극 전지에는 과량의 황산 음이온이 남아 있습니다.
염다리의 경우, 반응에 개입하지 않는 염 (염화나트륨 또는 염화칼륨과 같은) 용액이 사용되며,이 용액은 끝이 다공성 물질의 벽으로 막힌 역 U 자형 튜브에 있습니다.
솔트 브리지의 유일한 목적은 이온이 각 셀로 필터링되어 초과 전하의 균형을 맞추거나 중화하는 것입니다. 이런 식으로 전류 흐름이 소금 다리를 통해, 소금 이온을 통해 생성되어 전기 회로를 닫습니다.
산화 및 환원 잠재력
표준 산화 및 환원 전위는 25ºC의 온도에서 1M 농도 (1 몰)의 용액에서 양극 및 음극에서 발생하는 것으로 이해됩니다.
아연의 경우 표준 산화 전위는 E ox = +0.76 V입니다. 반면 구리의 표준 환원 전위는 E red = +0.34 V입니다.이 갈바닉 전지에서 생성되는 기전력 (emf)은 다음과 같습니다. : emf = + 0.76V + 0.34V = 1.1V.
갈바니 전지의 글로벌 반응은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.
Zn o (s) + Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu o (s)
황산염을 고려할 때 순 반응은 다음과 같습니다.
Zn o (s) + Cu 2+ (SO 4 ) 2- 25ºC → Zn 2+ (SO 4 ) 2- + Cu o (s)
황산염은 방관자이며 금속은 전자를 교환합니다.
갈바니 전지의 상징적 표현
그림 2의 갈바닉 셀은 다음과 같이 상징적으로 표시됩니다.
Zn o (s) -Zn 2+ (aq) (1M)-Cu 2+ (aq) (1M) -Cu o (s)
관습 적으로 산화하여 양극 (-)을 형성하는 금속은 항상 왼쪽에 위치하며 수성 상태의 이온은 막대 (-)로 분리됩니다. 양극 반쪽 셀은 소금 다리를 나타내는 두 개의 막대 (-)에 의해 음극에서 하나씩 분리됩니다. 오른쪽에는 환원되어 음극 (+)을 형성하는 금속 반쪽 전지가 있습니다.
갈바니 전지의 상징적 표현에서 맨 왼쪽은 항상 산화되는 금속이고 환원 된 금속은 맨 오른쪽 (고체 상태)에 배치됩니다. 그림 2에서 반쪽 셀은 기존의 기호 표현에 대해 반대 위치에 있습니다.
응용
서로 다른 금속의 표준 산화 전위를 알면 이러한 금속으로 만들어진 갈바닉 전지가 생성 할 기전력을 결정할 수 있습니다.
이 섹션에서는 다른 금속으로 만든 셀의 순 기전력을 계산하기 위해 이전 섹션에서 설명한 것을 적용합니다.
적용 사례로 철 (Fe)과 구리 (Cu)의 갈바니 전지를 고려합니다. 데이터로 다음과 같은 환원 반응과 표준 환원 잠재력이 제공됩니다. 즉, 25ºC 및 1M 농도에서 :
철 2+ (AC) + 2 전자 - → 철 (들). E1 네트워크 = -0.44V
구리 2+ (AC) + 2 전자 - → 구리 (들). E2 빨간색 = + 0.34V
다음 갈바니 전지에 의해 생성 된 순 기전력을 찾아야합니다.
Fe (s) -Fe 2+ (aq) (1M ) -Cu 2+ (aq) -Cu (s)
이 전지에서 철은 산화되고 갈바니 전지의 양극이고 구리는 환원되고 음극입니다. 철의 산화 전위는 환원 전위, 즉 E1 oxd = +0.44와 같지만 반대입니다.
이 갈바니 전지에서 생성 된 기전력을 얻기 위해 구리의 환원 전위와 함께 철의 산화 전위를 추가합니다.
emf = E1 oxd + E2 빨간색 = -E1 빨간색 + E2 빨간색 = 0.44V + 0.34V = 0.78V .
일상 생활 속의 갈바니 전지
일상적인 사용을위한 갈바닉 셀은 교훈적인 모델로 사용되는 것과 모양이 매우 다르지만 작동 원리는 동일합니다.
가장 일반적으로 사용되는 셀은 다양한 프레젠테이션에서 1.5V 알카라인 배터리입니다. 이름은 EMF를 높이기 위해 직렬로 연결된 일련의 셀이기 때문입니다.
충전식 리튬 배터리는 또한 갈바닉 전지와 동일한 작동 원리를 기반으로하며 스마트 폰, 시계 및 기타 장치에 사용되는 배터리입니다.
마찬가지로 자동차, 오토바이 및 보트 용 납 배터리는 12V이며 갈바니 전지의 동일한 작동 원리를 기반으로합니다.
갈바닉 세포는 미학 및 근육 재생에 사용됩니다. 피부를 깨끗하게하고 톤을주는 롤러 또는 구형의 두 전극을 통해 전류를인가하는 페이셜 트리트먼트가 있습니다.
전류 펄스는 또한 부복 상태에있는 사람들의 근육을 재생하기 위해 적용됩니다.
수제 갈바니 전지 건설
수제 갈바니 전지를 만드는 데는 여러 가지 방법이 있습니다. 가장 간단한 방법 중 하나는 식초를 용액, 강철 못 및 구리선으로 사용하는 것입니다.
기재
-일회용 플라스틱 컵
-백 식초
-두 개의 강철 나사
-구리선 2 개 (절연 또는 광택 없음)
-전압계
방법
-잔의 ¾ 부분에 식초를 채 웁니다.
-두 개의 강철 나사를 여러 차례 와이어로 연결하여 와이어 조각을 풀어 둡니다.
구리선의 감겨지지 않은 끝은 거꾸로 된 U 자 모양으로 구부러져 유리의 가장자리에 놓이고 나사가 식초에 잠겨 있습니다.
그림 3. 수제 갈바닉 셀 및 멀티 미터. 출처 : youtube.com
구리선의 또 다른 조각도 거꾸로 된 U로 구부러지고 잠겨진 나사의 정반대 위치에있는 유리의 가장자리에 걸려 구리의 일부는 식초 내부에 있고 구리선의 다른 부분은 외부에 있습니다. 유리의.
전압계 리드의 자유 끝은이 단순한 셀에서 생성 된 기전력을 측정하기 위해 연결됩니다. 이 유형의 셀의 emf는 0.5V입니다. 알카라인 배터리의 EMF를 균등화하려면 2 개의 셀을 더 만들고 3 개를 직렬로 연결하여 1.5V 배터리를 얻을 수 있습니다.
참고 문헌
- Borneo, R. Galvanic 및 전해 전지. 출처 : classdequimica.blogspot.com
- Cedrón, J. 일반 화학. PUCP. 출처 : corinto.pucp.edu.pe
- Farrera, L. 전기 화학 입문. 물리 화학과 UNAM. 출처 : depa.fquim.unam.mx.
- Wikipedia. 전기 화학 전지. 출처 : es.wikipedia.com.
- Wikipedia. 갈바닉 셀. 출처 : es.wikipedia.com.