Galvánelem

A galvánelem két elektródból (fél cellából) áll. A legegyszerűbb galvánelem az, amikor a két tiszta fémelektród saját ionjait tartalmazó sóoldatba merül. A sóoldatban a bemerülő fém oxidált, pozitív töltésű kationjai és az ezeket semlegesítő anionok találhatók. Az elektródok a fémet két különböző oxidációs állapotban tartalmazzák. A lejátszódó redoxireakciót a konvenció szerint a redukció irányában írjuk fel. Luigi Galvani olasz orvos, fizikus után nevezték el.

Előállítása

Volta-elem

A legegyszerűbb galvánelem a következő módon állítható elő: egy higított kénsavval töltött üvegedénybe egy-egy cink- és rézelektródát helyeznek el. A rézelektródából – vegyi hatás következtében – elektronok lépnek ki a kénsavba, tehát pozitív töltésűvé válik. A cinkelektróda felületén ennek fordítottja játszódik le, vagyis az elektronok a kénsavból lépnek át, tehát itt elektrontöbblet keletkezik, azaz negatív töltésű lesz. Az elektródok töltései kiegyenlítődni igyekeznek, ezért az elektródok között feszültség mérhető. Ez az áramforrás a Volta-elem elvén működik (abban sósav az elektrolit), üresjárati feszültsége ~1 volt, amely a terhelés folyamán rövidesen lecsökken.

Polarizáció

Az áram állandóságát a galvánelemben fellépő polarizáció veszélyezteti. Ezt a jelenséget az összes áramtermelő vegyi folyamat alkalmával kialakuló hidrogénbuborékok okozzák, amikor részben, majd teljesen befedik a (+) pozitív elektródot. Először gyengítik az áramot, később meg is szakíthatják az elektronok áramlását. Ezen segít a depolározás.

A bemutatott Volta-elemnél a réz elektródán H₃O⁺ ionok (oxóniumionok) válnak ki, és ezek szállítják az elektródra a pozitív töltést, azaz semlegesítésükre elvonnak az elektródról negatív ionokat. A hidrogén ekkor gázréteget alkot az elektródon. A cink elektródon SO2−4ionok válnak ki, és ezek szállítják az elektródra a negatív töltést, az elektronokat. A kialakult vegyi hatás következtében itt pedig oxigén réteg fedi be az elektródát.

A leírt jelenség hatására a galvánelemben egy másik, új galvánelem alakul ki, melynek elektródjai oxigén és hidrogén, elektrolitja meg kénsav. Mivel az oxigén elektrokémiai feszültsége pozitívabb, mint a hidrogéné, tehát az új polarizált galvánelemmel az oxigén a pozitív elektródja, feszültsége (Up) ellentétes az eredeti galvánelem feszültségével. Ez okozza a feszültségcsökkenést.

A polarizáció káros, tehát meg kell szüntetni. A megszüntetés módját depolarizációnak nevezik. Megszüntetésére két módszert dolgoztak ki:

1. A pozitív elektródot oxigéndús anyaggal (pl. barnakőporral, MnO₂) veszik körül, ami a kiváló hidrogént leköti, és nem jöhet létre a polarizált galvánelem,
2. Az elektródot saját sójába merítik. Ilyenkor nem gázok válnak ki az elektrolitból, hanem ugyanaz a fém, mint amiből maga az elektród készül.

Vonatkoztatott alapfeszültség

Ha egy galvánelem egyik elektródja hidrogén, a másik elektróda pedig különböző fémekből készül, a fémelektródokon különböző feszültségszinteket lehet mérni, azaz így minden fém elektrokémiai feszültsége a hidrogénhez képest – mint alapra – meghatározható. A galvánelem feszültsége az elektródokat alkotó fémek elektrokémiai feszültségének különbségeként számítható.

A fémek elektrokémiai feszültségsorozatát az alábbi táblázat foglalja össze. A táblázat harmadik oszlopában szereplő standard elektródpotenciál a standard hidrogénelektródhoz viszonyított feszültséget jelenti. (A standard hidrogénelektród potenciálja megállapodás szerint 0 V.)

Fém megnevezése	Kémiai jele	Standard elektródpotenciál (Volt)
Magnézium	Mg	– 2,38
Alumínium	Al	– 1,66
Cink	Zn	– 0,76
Vas	Fe	– 0,43
Kadmium	Cd	– 0,40
Nikkel	Ni	– 0,23
Ón	Sn	– 0,14
Ólom	Pb	– 0,126
Hidrogén	H	0
Réz	Cu	+ 0,34
Ezüst	Ag	+ 0,79
Higany	Hg	+ 0,80
Platina	Pt	+ 1,2
Arany	Au	+ 1,42

A példában szereplő Volta-elem feszültsége:

0,34 – (– 0,76) = 1,1 volt

A galvánelem feszültsége független az elektródák nagyságától, azok távolságától, az elektrolit mennyiségétől, és csak az elektródák anyagi minőségétől, illetve az elektrolittól függ, rendszerint 1–2 volt között mozog, a nagyobb feszültségszintek eléréséhez pedig sorba, azaz galvántelepekké kapcsolják össze

Galvánelem fajták

• Volta-elem
• Leclanché-elem, továbbfejlesztett változata a szárazelem
• Weston-elem
• Daniell-elem
• Cupron-elem
• Akkumulátorok

Források

• Inzelt György: Az elektrokémia korszerű elmélete és módszerei, Nemzeti Tankönyvkiadó, 1999, ISBN 9631891003
• Kiss László, Láng Győző: Elektrokémia, Semmelweis Kiadó és Multimédia Stúdió 2011, ISBN 9789633311486