7. Kemian avulla sähköä – galvaaninen kenno
1. Sammakkokokeet johtivat kemiallisen sähkön keksimiseen
Sähköilmiöt olivat tuttuja vuosituhansien takaa ennen italialaisten tiedemiesten – Galvanin ja Voltan käänteentekeviä tutkimuksia. Luigi Galvani (1737–1798) oli bolognalainen lääkäri ja Alessandro Volta (1745–1827) Pavian yliopiston fysiikan professori. Molemmat olivat innokkaita sähköilmiöiden tutkijoita ja julkaisseet aiheesta useita kirjoituksia.
Voltan ensimmäiset havainnot kemiallisesta sähköstä tapahtuivat maistamalla. Hän asetti hopearahan ja tinapaperin palan vierekkäin kielelle ja tunsi happaman maun, kun metallit yhdistettiin toisiinsa. Vastaavasti silmällä hän havaitsi salamaa muistuttavan välähdyksen, kun hän kosketti toisiinsa yhdistetyillä metalliliuskoilla silmäänsä. Varhaisessa kemian tutkimuksessa tällaiset omalla keholla tehdyt kokeet olivat tavallisia, ja nykyisin sellainen on ankarasti kielletty.
Galvani puolestaan oli huomannut sattumalta, että sammakon jalan saa liikkumaan, kun koskettaa hermoa kuparilangalla ja lihasta rautalangalla ja yhdistää metallit toisiinsa. Myöhemmin Volta osoitti, että olennaista on nimenomaan kahden eri metallin käyttö ja lihaksen nestepitoisuus.
Volta jatkoi kokeita pinoamalla vuoron perään kupari- ja sinkkilevyjä. Levyjen väliin hän laittoi suolahapossa kostutettuja kankaita. Rakennelmaa nimitettiin Voltan patsaaksi. Se oli 1800-luvun alkuun saakka ainoa laite, jolla saatiin kehitettyä voimakkaampia sähkövirtoja.
Kuvassa on Voltan patsaan jälleenrakennettu malli.
2. Kaikkia sähköä tuottavia kemiallisia pareja nimitetään galvaanisiksi kennoiksi
Varhaisia sähkökemian tutkijoita mietitytti pitkään, miten liuoksessa olevien metalli-ionien ja siihen upotetun metallin välinen elektronien siirtyminen saataisiin hyötykäyttöön. Ongelmana oli, että metallin upotuskokeessa elektronit siirtyivät suoraan sinkkiatomista viereiselle kupari-ionille. Jos elektronit saataisiin jotenkin johdettua ulkoista johdinta pitkin metallilta toiselle metallille, elektronien liikkeestä syntyvä sähkövirta voitaisiin käyttää hyödyksi.
Voltan laitteessa sinkki- ja kuparilevyjen välillä oli suolahapossa kasteltu kangas. Sinkistä lähti yksi johto ja kuparilevystä toinen. Virtapiiri sulkeutui, kun johdot yhdistettiin toisiinsa. Laitteessa oli kuitenkin kaksi ongelma: kankaiden kuivuminen ja vetykaasun muodostuminen. Sinkki oli vetyä epäjalompi metalli, joten se reagoi suolahapon kanssa vetykaasua vapauttaen.
Englantilainen kemisti John Frederic Daniel (1790–1845) ideoi 1820-luvulla laitteen, jossa sinkkilevy oli upotettuna sinkki-ioneja sisältävään liuokseen ja kuparilevy kupari-ioneja sisältävään liuokseen. Liuokset pidettiin toisistaan erillään huokoisen seinän avulla. Sinkkiatomien luovuttamat elektronit johdettiin ulkoisen metallilangan avulla kuparilevylle, joka sitten luovutti niitä nesteessä oleville kupari-ioneille. Huokoinen seinä mahdollisti sen, että sulfaatti-ioneja siirtyi sinkkiliuoksen puolelta kupariliuoksen puolelle. Kulkureitti oli sopivan ahdas niin, että vain sulfaatti-ionit mahtuivat kulkemaan sen läpi, mutta metalli-ionit olivat liian suuria.
Myöhemmin huokoinen seinä korvattiin suolasillalla, joka oli astiasta toiseen johtava nesteellä täytetty putki. Laitetta kutsuttiin Danielin kennoksi. Sen etuna oli, että päästiin eroon haitallisesta vetykaasun muodostumisesta ja laitteiston tuottamaa sähkövirtaa oli pitempään ja vakaammin kuin aikaisemmissa versioissa.
3. Galvaanisen kennon synnyttämä jännite ja virta
Galvaanisessa kennossa epäjalompi metalli varautuu negatiivisesti ja jalompi metalli positiivisesti. Tämä johtuu metalleissa tapahtuvista hapetus-pelkistysreaktioista. Metallia ja sitä ympäröivää nesteen osaa nimitetään yleisesti elektrodiksi. Kennossa negatiivisesti varautunutta elektrodia nimitetään anodiksi ja positiivisesti varautunutta katodiksi. Liuosta, johon metalli on upotettu, nimitetään elektrolyytiksi.
Epäjalompi metalli muodostaa kennon negatiivisen elektrodin. Sen pinnalla tapahtuu metallin hapettuminen. Metalli liukenee nesteeseen ioneina, ja elektronit jäävät metalliin. Elektroniylimäärä tekee metallista negatiivisesti varautuneen. Liukeneminen havaitaan metallin määrän vähenemisenä, kuten kuvassa oikealla sinkin kohdalla.
Jalompi metalli muodostaa kennon positiivisen elektrodin. Sillä tapahtuu metallin pelkistyminen. Positiivisesti varautuneita ioneja saostuu metallina levyn pintaan (ks. kuvassa kuparikatodi). Saostuminen kuluttaa elektroneja. Elektrodilla on koko ajan elektronivajausta. Se tekee metallista positiivisesti varautuneen.
Negatiivisen ja positiivisen elektrodin välinen potentiaaliero saa elektronit liikkumaan metallilta toiselle. Elektronien liike muodostaa laitteiston sähkövirran. Elektrodireaktiot voidaan selvyyden vuoksi kirjoittaa osareaktioina. Osareaktioiden perusteella on helpompi hahmottaa, kumpi metalleista luovuttaa ja kumpi vastaanottaa elektroneja. Liuoksissa osareaktiot tapahtuvat yhtä aikaa.
Galvaanisessa kennossa jännite ja sähkövirta muodostuvat itsestään. Elektrodeina olevat metallit sitovat ja luovuttavat elektroneja keskenään eri tavoin. Katodimetalli sitoo elektroneja voimakkaammin kuin anodimetalli, ja anodimetalli puolestaan luovuttaa elektroneja helpommin kuin katodimetalli. Eroavuudesta aiheutuu metallien välillä jännite-ero. Se pakottaa elektronit liikkumaan metallilta toiselle. Elektronien liike aiheuttaa sähkövirran.
Metallin ja sen suolaliuoksen välistä jännitettä on vaikea mitata luotettavasti. Sen sijaan kahden metallin välinen jännite voidaan mitata, kun ne yhdistetään pariksi. Metallien sähkökemiallista jännitesarjaa muodostettaessa on sovittu, että metalleja verrataan aina vetyyn. Vedyn vertailuarvoksi on määrätty 0,0 volttia.
Kennon synnyttämä jännite on sitä suurempi, mitä kauempana metallit ovat toisistaan sähkökemiallisessa sarjassa. Jännite lasketetaan vertailuarvojen yhteenlaskuna. Esimerkiksi sinkin vertailuarvo on 0,76 V ja kuparin 0,34 V, joten parin muodostama jännite on 1,10 V.
Tiivistelmä
- Kaikkia sähköä tuottavia kemiallisia pareja nimitetään galvaanisiksi kennoiksi.
- Galvaanisessa kennossa epäjalompi metalli varautuu negatiivisesti ja jalompi metalli positiivisesti.
- Muutokset johtuvat metalleissa tapahtuvista hapetus-pelkistysreaktioista.
- Kennossa negatiivisesti varautunutta elektrodia nimitetään anodiksi ja positiivisesti varautunutta katodiksi.
- Epäjalompi metalli muodostaa kennon negatiivisen elektrodin.
- Jalompi metalli muodostaa kennon positiivisen elektrodin.
- Negatiivisen ja positiivisen elektrodin välinen potentiaaliero saa elektronit liikkumaan metallilta toiselle. Elektronien liike muodostaa laitteiston sähkövirran.
- Galvaanisessa kennossa jännite ja sähkövirta muodostuvat itsestään.
- Kennon synnyttämä jännite on sitä suurempi, mitä kauempana metallit ovat toisistaan sähkökemiallisessa sarjassa.