Wikipedia

Ero sivun ”Galvaaninen kenno” versioiden välillä

Selaa historiaa interaktiivisesti
[katsottu versio][katsottu versio]
← Vanhempi muutosUudempi muutos →
Poistettu sisältö Lisätty sisältö
VisuaalinenWikiteksti
→‎Galvaanisen kennon rakenne ja reaktiot: Lisätty kennokaavioon sinkille (Zn) miinus merkki (anodi kohtio) ja kuparille (Cu) plus merkki (katodi kohtio)
Merkkaukset: Mobiilimuokkaus  mobiilisivustosta 
Linkitystä
Rivi 1:
[[Tiedosto:Galvanic cell with no cation flow.png|400px| thumb|Esimerkki galvaanisesta kennosta ja sen toiminnasta.]]
'''Galvaaninen kenno''' on kemiallinen systeemi, jossa [[kemiallinen energia|kemiallista energiaa]] muuttuu sähköenergiaksi[[sähköenergia]]ksi ilman välivaiheita siten, että tätä sähköenergiaa voidaan käyttää työn[[työ]]n suorittamiseen. <ref name =”Sundholm”>{{Kirjaviite | Tekijä=Sundholm, Göran | Nimeke=Sähkökemia| Sivu=26,81| Julkaisija=Karisto Oy | Vuosi=2009 | Tunniste= ISBN 951-672-032-3}}</ref> Galvaaninen kenno on siis [[jännitelähde]], joka tuottaa [[sähkövirta|sähkövirtaa]] elektrodien[[elektrodi]]en pinnalla tapahtuvien [[hapetus-pelkistysreaktio|hapetus-pelkistysreaktioiden]] avulla. Tämä kenno on vastakohta elektrolyysikennolle[[elektrolyysi]]kennolle, jossa hapetus-pelkistysreaktiot ovat puolestaan pakotettuja ja systeemissä on kytketty elektrodien välille ulkoinen jännitelähde.<ref name ="Zumdahl">{{Kirjaviite | Tekijä= Zumdahl, Steven S.| Nimeke= Chemical Principles (6.painos) | Sivu=473-475,478,480,482-483,486-487,502| Julkaisija= Brooks/Cole, Gemgage Learning | Vuosi=2009 | Tunniste= ISBN 978-0-538-73456-1| Kieli={{en}} }}</ref>
 
Viereisessä kuvassa on esitetty esimerkki galvaanisesta kennosta. Kennossa on sinkkisauva[[sinkki]]sauva sinkkisulfaattiliuoksessa[[sinkkisulfaatti]]liuoksessa ja kuparisauva[[kupari]]sauva kuparisulfaattiliuoksessa[[kuparisulfaatti]]liuoksessa, kyseessä on klassinen [[Daniellin pari|Daniellin kenno]]. Kennossa olevia kiinteitä [[metalli|metalleja]] kutsutaan [[elektrodi|elektrodeiksi]]. Elektrodit ovat kytketty toisiinsa sähkönjohtimella. Sitä elektrodia, jolla hapettuminen tapahtuu, kutsutaan [[anodi|anodiksi]]. Toisella elektrodilla tapahtuu pelkistyminen, ja elektrodi on nimeltään [[katodi]]. Kennon [[virtapiiri]] suljetaan suolasillalla tai huokoisella levyllä, jonka tehtävänä on estää liuosten mekaaninen sekoittuminen keskenään sallien toisaalta [[ioni|ionien]] pääsyn läpi [[sähkövirta|sähkövirran]] kulkemisen vuoksi. Ionien siirtyminen liuosten välillä on tärkeää sähkökemiallisen tasapainon ylläpitämiseksi eli toisin sanoen nettovarauksen säilymiseksi neutraalina. <ref name=" Zumdahl " />
 
== Historia ==
Galvaaninen kenno on nimetty keksijänsä [[Luigi GalvaninGalvani]]n (1737–1798) mukaan. Vuonna 1791 hän toi sammakon jalan hermon kontaktiin sähköstaattisen laitteen kanssa, jolloin hän havaitsi sammakon jalan lihaksissa äkillisen kouristuksen. Myöhemmin Galvani havaitsi, että lihasten nykiminen voitiin saada aikaiseksi myös yksinkertaisemmin tuomalla hermopääte ja jalkaterä kontaktiin metallikaistaleen avulla. Galvani kuitenkin uskoi, että tämän kaltainen vaikutus voitiin tuottaa vain elävien kudosten avulla. Myöhemmin vuonna 1794 italialainen fyysikko [[Alessandro Volta]] (1745–1827) sai selville, että samantyyppinen sähköisyys voitiin tuottaa myös elottomien kappaleiden avulla. Vuonna 1800 hän rakensi kuuluisan “Voltan parinsa”, joka koostui monista perättäisistä [[hopea]]- ja sinkkilevyistä, jotka oli eroteltu suolaliuoksessa kyllästetyllä kankaan palalla. Galvanin ja erityisesti Voltan koetuloksien ansiosta sähkövirta nousi tärkeään asemaan.<ref name ="Laidler">{{Kirjaviite | Tekijä= Laidler Keith J.; Meiser, John H. | Nimeke= Physical Chemistry (3. painos)| Sivu=266,320,321,331-332,342-343,346-353| Julkaisija=Houghton Mifflin Company | Vuosi=1999 | Tunniste=ISBN 0-395-91848-0|Kieli={{en}} }}</ref>
 
== Galvaanisen kennon rakenne ja reaktiot ==
Galvaanisessa kennossa tapahtuu spontaani hapetus-pelkistysreaktio, jolloin syntyy sähkövirtaa. Tällöin systeemi tekee työtä.<ref name=" Zumdahl " /> Galvaaninen kenno muodostuu kahdesta puolikennosta, jotka koostuvat yleensä kahdesta eri metallista A ja B. Puolikennossa on elektrodina kiinteää metallia ioniliuoksessaan. Puolikennoissa tapahtuvat erilliset hapetus-pelkistysreaktiot ovat<ref name ="Engel">{{Kirjaviite | Tekijä[4] Engel, Thomas; Reid, Philip| Nimeke= Physical Chemistry (2. painos)| Sivu=249,254| Julkaisija= Pearson Education, Inc.| Vuosi=2010 | Tunniste=ISBN 978-0-321-64305-6 |Kieli={{en}} }}</ref>
 
Rivi 22:
: ''m'' A + ''n'' B<sup>''m''+</sup> <math>\rightleftharpoons</math> ''n'' B + ''m'' A<sup>''n''+</sup>
 
Galvaanisen kennon reaktio kulkee spontaanisti suuntaan, joka tuottaa positiivisen kennopotentiaalin. Näin ollen katodina toimii metalli, jolla on suurempi [[pelkistyspotentiaali]]. Reaktioyhtälöissä[[Reaktioyhtälö]]issä A on anodimetalli. Galvaanisessa kennossa katodimetalli hapettaa anodimetallin ja reaktio kulkee vain yhteen suuntaan.<ref name=" Zumdahl " />
 
Puolikennoja yhdistää sähkönjohdin. Tällöin elektronit[[elektroni]]t virtaavat johdinta pitkin anodilta katodille. Kennon puolien välille syntyy varausero, mikä pysäyttää reaktion toisen [[elektrolyyttiliuos|elektrolyyttiliuoksen]] ollessa negatiivisesti ja toisen positiivisesti varautunut. Kun puolet yhdistetään suolasillalla tai huokoisella levyllä, reaktio voi jälleen edetä. Suolasilta tai levy mahdollistaa liuosten välisen ionien vaihdon, joka purkaa varausepätasapainon. Yleensä suolasillassa anionit siirtyvät katodipuolelta anodipuolelle.<ref name=" Zumdahl " />
 
Kennot jakautuvat kahteen päätyyppiin: kemialliset kennot ja konsentraatiokennot. Kemiallisissa kennoissa elektrodi osallistuu aktiivisesti reaktioon. Tällöin katodielektrodilla muodostuu kiinteää metallia, kun katodimetallin elektrolyysiliuoksessa olevat kationit yhdistyvät vapaisiin elektroneihin. Katodilla tapahtuu näin ollen päällystyminen. Elektronit poistuvat anodilta, minkä seurauksena anodimetallia liukenee sitä ympäröivään elektrolyyttiliuokseen. Toisaalta kemiallinen kenno voi olla myös redox-kenno, jossa sekä hapettunut että pelkistynyt aine ovat liuoksessa, ja elektrodi ei aktiivisesti reagoi vaan toimiin ainoastaan passiivisena elektronien vastaanottajana tai luovuttajana. Konsentraatiokennoissa on eri vahvuisia elektrolyyttiliuoksia ja elektrodit ovat usein samaa materiaalia.<ref name=" Zumdahl " /> <ref name=" Laidler " />
Erityinen galvaaninen kenno on [[Daniellin pari]] (kuva 2), jossa kupari hapettaa sinkkiä. Sinkki toimii siis anodina ja kupari katodina. Liuosten anionit ovat kyseisten metallien [[sulfaatit|sulfaatteja]]. Sinkkielektrodi liukenee ja kupari päällystyy. Daniellin parissa tapahtuu kennoreaktio:
: Zn(s) + Cu<sup>2+</sup> (aq) → Zn<sup>2+</sup> (aq)+ Cu(s)
 
=== Erot elektrolyysikennoon ===
Galvaaninen kenno eroaa[[elektrolyysi | elektrolyysikennosta]] muutamalla tavalla. Galvaanisen kennon hapetus-pelkistysreaktio on spontaani, toisin kuin elektrolyysikennossa, jossa se on pakotettu. Elektrolyysikennoon johdetaan siis virtaa ulkopuolelta, jotta reaktio tapahtuisi. Galvaanisen kennon negatiivinen napa on anodi ja positiivinen katodi. Galvaanisessa kennossa ei siis päde PANK-muistisääntö (positiivinen anodi negatiivinen katodi), toisin kuin elektrolyysikennossa.<ref name=" Zumdahl " />
 
=== Kennokaavio ===
Tiettyä sähkökemiallisesta kennoa voidaan kuvata lyhyesti kennokaavion avulla. Kaksi vierekkäistä pystyviivaa erottaa anodin ja katodin (puolikennot), kuvaten samalla systeemissä olevaa suolasiltaa. Kennokaaviossa anodi on aina kirjoitettuna vasemmalle puolelle ja kaikki muut komponentit seuraavat siinä järjestyksessä kuin ne ovat siirryttäessä anodista katodiin. Molempien puolikennojen yksittäiset faasit ovat eroteltu toisistaan yhdellä pystyviivalla. Esimerkiksi Daniellin parissa kenno voidaan merkitä seuraavalla tavalla
 
Rivi 40:
Kaaviosta nähdään siis, että Zn (s) on anodi ja katodi eli Cu (s) ilmoitetaan viimeisenä. Kennokaavioon voidaan merkitä myös liuosten konsentraatiot.<ref>{{Kirjaviite | Tekijä=Mortimer, Charles E. |Suomentaja=Marjatta Hakkarainen | Nimeke= Kemia (3. painos) | Sivu=263–264| Julkaisija= Gummerus Kirjapaino Oy | Vuosi=2001| Tunniste= ISBN 952-13-0044-2}}</ref><ref>{{Kirjaviite | Tekijä= Atkins, P. W. | Nimeke= Physical Chemistry (4. painos)| Sivu=257–258| Julkaisija= Oxford University Press | Vuosi=1990 | Tunniste= ISBN 0-19-855284-X |Kieli={{en}} }}</ref>
 
== Kennopotentiaali ==
Galvaanisessa kennossa katodin hapetin vetää elektroneja sähköjohdinta pitkin anodin pelkistimeltä. Vetävää voimaa kutsutaan kennopotentiaaliksi tai [[sähkömotorinen voima |sähkömotoriseksi voimaksi]] (SMV), jonka yksikkönä on voltti (V). Galvaanisessa kennossa kennopotentiaali on aina positiivinen.
 
Galvaanisen kennon kennopotentiaalin riippuvuus konsentraatiosta[[konsentraatio]]sta ja lämpötilasta saadaan [[Nernstin yhtälönyhtälö]]n kautta:
 
:<math>E= E^0 - \frac{RT}{nF}\ln_e Q ,</math>
 
missä E<sup>0</sup> on standardipotentiaali, R on [[Avogadron vakio]], T [[lämpötila]] ja Q on reaktio-osamäärä. Reaktio-osamäärä lasketaan tuotteiden ja lähtöaineiden aktiivisuuksien avulla. Esimerkiksi Daniellin kennossa tämä lasketaan:
 
:<math>Q = \frac{a_{Zn^{\text{2+}}} a_{Cu} } {a_{Cu^{\text{2+}}} a_{Zn}}</math>
Rivi 63:
missä q on varaus, n on ainemäärä, F on Faradayn vakio ja Emax on maksimi kennopotentiaali.<ref name=" Zumdahl " />
 
=== Ylipotentiaali ===
Kaikissa kennoissa ilmenee luonnostaan ylipotentiaalia, jolla tarkoitetaan virrallisen sähkökemiallisen kennon napojen välillä mitatun potentiaalieron ja saman virrattomassa tilassa olevan kennopotentiaalin välistä erotusta. Ylipotentiaali voi aiheutua
* konsentraatioeroista, jolloin puhutaan diffuusioylipotentiaalista,
* elektrodireaktioiden hitaudesta, jolloin puhutaan aktivointiylipotentiaalista,
* liuoksen tai elektrodien resistanssista[[resistanssi]]sta R, jolloin puhutaan IR-häviöstä. <ref name =”Sundholm” />
 
== Sovellukset ==
Galvaanisen kennon tärkeitä sovelluksia ovat myös primaariset [[paristo |paristot]] (ei uudelleen ladattavia) sekä sekundaariset paristot eli [[akku |akut]] (uudelleen ladattavat). [3] Sähköenergian tuottamiseen voidaan käyttää [[polttokenno|polttokennoja]], joissa reaktiotuotteita syötetään jatkuvasti systeemiin. Fotogalvaanisissa kennoissa säteily saa aikaan kemiallisen prosessin, joka saa aikaan sähkövirran.<ref name="Laidler" />
Galvaanisen kennon potentiaaliin perustuvan [[sähkömotorinen voima|sähkömotorisen voiman]] mittauksen sovelluksia ovat mm. [[pH]]:n mittaukset, [[aktiivisuus]]kertoimien määritys, [[liukoisuustulo|liukoisuustulot]], potentiometrinen titraus.<ref name=" Laidler " />
[[Galvaaninen korroosio]] on sähkökemiallinen prosessi, jossa toinen metalli syövyttää toisen, kun molemmat metallit ovat sähköisessä kontaktissa samassa elektrolyyttiliuoksessa.
 
== Katso myös ==
{{Div col}}
* [[Daniellin pari]]
Rivi 86:
{{Div col end}}
 
== Lähteet ==
{{Viitteet}}
 
== Aiheesta muualla ==
* ''[http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/galvan5.swf Galvanic Cell]'' Animaatio
* ''[http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/flashfiles/electroChem/voltaicCell20.html Interactive animation of Galvanic Cell]''. Chemical Education Research Group, Iowa State University
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/wiki/Galvaaninen_kenno”