Back to chapter

18.3:

Voltaïsche /Galvanische Cellen

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Voltaic/Galvanic Cells

Languages

Share

Een spontane redoxreactie wekt elektriciteit op, die elektrische apparaten kan aandrijven. Maar hoe werkt het? Beschouw de redoxreactie tussen koper en een zilvernitraatoplossing.Wanneer het in één vat wordt geplaatst, wordt het koper geoxideerd tot koper(I)ionen, terwijl de zilverionen worden gereduceerd tot een zilverneerslag. Hier is de overdracht van elektronen direct en genereert geen elektrische stroom. Wanneer deze halfreacties echter fysiek worden gescheiden en verbonden via een extern circuit, wordt een elektrische stroom waargenomen.Deze opstelling wordt een elektrochemische cel genoemd, verder gedefinieerd als een galvanische of volta cel voor een spontane redoxreactie. Een galvanische cel bestaat uit twee halve cellen die de halfcelreactiemengsels van een vaste metalen elektrode in de bijbehorende elektrolytoplossing bevatten. Hier is het koper in waterig kopernitraat en zilver in waterig zilvernitraat.De gescheiden reactanten ervaren een celpotentiaal, maar zonder een externe verbinding vindt er geen reactie of stroom van elektronen plaats. Eenmaal extern verbonden, worden de elektronen gedwongen om indirect over het externe circuit te stromen, waardoor de reacties op de respectieve elektroden kunnen plaatsvinden. Volgens afspraak vindt oxidatie plaats bij de anode die een negatieve lading draagt, en reductie bij de kathode die een positieve lading draagt.Terwijl de overdracht van elektronen plaatsvindt, worden positieve ionen gevormd in de oxidatiehalfcel en negatieve ionen in de reductiehalfcel. Dit veroorzaakt een positieve en negatieve ladingopbouw waardoor verdere elektronenstroom wordt voorkomen en moet continu worden geneutraliseerd om de reactie voort te zetten. De twee halve cellen zijn dus verbonden door een zoutbrug:een omgekeerde U-buis met een pasta of gel van een inerte elektrolyt zoals natriumnitraat.Naarmate de redoxreactie vordert, stromen de tegenionen in de respectievelijke halve cellen om ladingsneutraliteit te verzekeren zonder mengen van elektrolyten. Speciale notaties of celschema’s worden gebruikt om een galvanische cel te beschrijven. De oxidatie is aan de linkerkant weergegeven en de reductie aan de rechterkant.Een dubbele verticale lijn geeft een zoutbrug aan die de twee halve cellen verbindt, terwijl enkele verticale lijnen de interfaces tussen de samenstellende fasen aangeven. Als er twee of meer componenten in dezelfde fase bestaan, worden ze gescheiden door komma’s.

18.3:

Voltaïsche /Galvanische Cellen

Spontaneous Chemical Reactions

Spontaneous redox reactions occur abundantly in nature. The chemical reaction occurring in a disposable AA battery powering our remote controls is one such example of a spontaneous redox reaction. Another example is the immersion of coiled copper wire into an aqueous silver nitrate solution. The reaction shows a gradual, visually impressive color change from colorless to bright blue and the formation of a grey precipitate on the copper wire. In this experiment, the copper undergoes oxidation to form cuprous ions, which renders the solution blue, while the silver ions are reduced to form a silver precipitate on the wire.

The reaction can be summarized as follows:

Eq1

Here, there is a direct and spontaneous transfer of electrons from the copper wire to the aqueous silver ions.

Electrochemical Cells and Galvanic Cells

Suppose a device contains all the reactants and products of a redox system but prevents physical contact between the reactants. Therefore, the direct transfer of electrons is prevented; instead, it takes place indirectly through an external circuit that contacts the separated reactants. Devices of this type are generally referred to as electrochemical cells.

An electrochemical cell is an instrument in which an electric current is generated by a redox reaction without direct contact between the reacting atoms. The electrochemical cells in which a current is created due to a spontaneous redox reaction are known as galvanic or voltaic cells (named after Luigi Galvani and Alessandro Volta).

Components of a Galvanic Cell

A galvanic cell based on the spontaneous reaction between copper and silver(I) is depicted in Figure 1. A typical galvanic cell consists of two half-cells, each containing a redox conjugate pair, or couple, of a single reactant. The half-cell on the left contains the Cu(0)/Cu(II) couple in the form of a solid copper foil and an aqueous solution of copper nitrate. The right half-cell contains the Ag(I)/Ag(0) couple as solid silver foil and an aqueous silver nitrate solution. An external circuit is connected to each half-cell at its solid foil, meaning the Cu and Ag foil each function as an electrode. The reaction occurs at the interface between each half-cell reaction mixture and its respective electrode. The anode is the electrode at which oxidation occurs and it carries a negative charge, while the cathode is the electrode at which reduction occurs, and it bears a positive charge.

The two half-cells are connected by a salt bridge, which is an inverted U-tube containing a gel or paste of an inert electrolyte like potassium chloride or ammonium nitrate. The salt bridge helps to keep the reaction mixtures separate while ensuring the reaction’s charge balance. The spontaneous reaction in this cell produces Cu2+ cations in the anode half-cell and consumes Ag+ ions in the cathode half-cell, resulting in a compensatory flow of inert ions from the salt bridge that maintains charge balance. The salt bridge provides a flow of inert ions, ensuring that the reaction continues by neutralizing the buildup of positive and negative ions at the anode and cathode. Hence, increasing concentrations of Cu2+ in the anode half-cell are balanced by an influx of NO3− from the salt bridge, while a flow of Na+ into the cathode half-cell compensates for the decreasing Ag+ concentration.

Image1

Figure 1: A galvanic cell based on the spontaneous reaction between copper and silver(I) ions.

Representation of a Galvanic Cell using Cell Schematics or Cell Notations

The galvanic cell is represented symbolically using cell schematics or cell notations.

•  In cell schematics, all interfaces between the component phases are represented by vertical parallel lines.
•  If two or more components exist in the same phase, they are separated in the representation using commas.
•  The anode is represented at the left of the schematic and the cathode to the right.
•  A double vertical line indicates a salt bridge or a porous partition between the two half-reactions.
•  By convention, the schematic begins with the anode and proceeds left-to-right, identifying phases and interfaces encountered within the cell, ending with the cathode.

For example, the above galvanic cell consists of a solid copper anode immersed in an aqueous copper(II) nitrate connected via a salt bridge to an aqueous silver(I) nitrate solution immersed in which is a solid silver cathode. Converting this statement to symbolism following the above guidelines results in the cell schematic:

Eq2

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e,17.2 Galvanic Cells.