Una cel·la galvànica és un tipus de cel·la electroquímica que converteix l'energia química en energia elèctrica mitjançant una reacció de redox espontània. Aquest dispositiu està compost per dos elèctrodes de metalls diferents, submergits en solucions electrolítiques separades i connectats mitjançant un pont salí o un disc porós, permetent el flux d'ions i mantenint l'equilibri de càrrega. El seu nom honra Luigi Galvani, els experiments del qual amb electricitat i teixits biològics van ser fonamentals per al desenvolupament de l'electroquímica.
En ocasions s'utilitza indistintament el terme pila voltaica. Tot i això, la pila voltaica és un tipus de cel·la galvànica. Aquesta va ser dissenyada per Alessandro Volta, i és un dispositiu precursor basat en el mateix principi electroquímic. La seva invenció va representar un gran avenç en proporcionar la primera font de corrent elèctric continu.
Parts d'una cel·la galvànica
Abans d'explicar com funciona una cel·la galvànica n'hem de conèixer una mica les parts:
Aquí teniu una descripció detallada de cada part d'una cel·la galvànica:
Ànode
L'ànode és l'elèctrode on passa l'oxidació, és a dir, la pèrdua d'electrons.
En una cel·la galvànica, l'ànode actua com el pol negatiu, ja que els electrons se'n desprenen i viatgen a través del circuit extern cap al càtode. Generalment, l'ànode està compost per un metall més reactiu que tendeix a perdre electrons amb facilitat, com el zinc a la pila de Daniell.
A mesura que la reacció avança, els àtoms de l'ànode es dissolen a la solució en forma d'ions.
Càtode
El càtode és l'elèctrode on passa la reducció, és a dir, el guany d'electrons. És el pol positiu perquè atrau els electrons provinents de l'ànode. En aquest elèctrode, els ions a la solució es combinen amb els electrons que arriben a través del circuit extern, formant àtoms neutres o molècules.
En el cas de la pila de Daniell, el càtode està fet de coure, i els ions de coure en solució es dipositen sobre la superfície en acceptar electrons.
Electròlit
L'electròlit és la solució iònica en què estan submergits els elèctrodes i que permet el moviment d'ions per mantenir l'equilibri de càrregues a la cel·la.
Aquesta solució està composta per sals dissoltes, àcids o bases que faciliten la conducció iònica.
A la pila de Daniell, la solució de sulfat de zinc (
) envolta l'ànode, mentre que la solució de sulfat de coure (
) envolta el càtode.
Pont salí o membrana porosa
El pont salí és un tub o membrana plena d'una solució de sals inerts, com el clorur de potassi (
) o el sulfat de sodi (
), que permet la circulació dʻions entre les solucions dels elèctrodes. La seva funció és evitar l'acumulació de càrrega elèctrica a cada semicel·la i mantenir la neutralitat elèctrica a la cel·la. Sense el pont salí, la reacció s'aturaria ràpidament a causa de la separació de càrregues.
Circuit extern
És el camí conductor per on es desplacen els electrons des de l'ànode fins al càtode. Aquest circuit pot estar compost per cables metàl·lics i elements com a resistències, bombetes o motors que utilitzen l'energia elèctrica generada. En aquest recorregut, el corrent flueix en sentit oposat al flux delectrons, des del càtode fins a lànode, segons la convenció de corrent elèctric.
Com funciona una cel·la galvànica?
Una cel·la galvànica funciona mitjançant una reacció d' oxidació-reducció (redox) que converteix l'energia química en energia elèctrica.
Aquesta cel·la consta de dos elèctrodes, l' ànode i el càtode , submergits en solucions d'electròlits. A l'ànode, ocorre l' oxidació , on un metall perd electrons i es dissol a l'electròlit en forma d' ions . Aquests electrons viatgen a través d'un circuit extern cap al càtode, on ocorre la reducció , és a dir, els electrons es capturen pels ions metàl·lics de l'electròlit, transformant-los en àtoms del metall corresponent.
El flux d'electrons a través del circuit extern és el que genera un corrent elèctric, que es pot utilitzar per alimentar dispositius. Perquè el circuit intern de la cel·la estigui complet, els ions es desplacen entre els dos elèctrodes a través d'un pont salí o un envà porós , permetent que es mantingui l'equilibri de càrregues en les solucions.
Així, l'energia química emmagatzemada als elèctrodes es converteix de manera contínua en energia elèctrica mentre duri la reacció redox i hi hagi materials disponibles per reaccionar.
Relació amb l'electròlisi
El procés invers d'una cel·la galvànica és l'electròlisi, on un corrent extern força una reacció no espontània. En ambdós casos, el flux delectrons es dóna a través del circuit extern, mentre que els ions positius flueixen dins de lelectròlit, completant el circuit elèctric.
En resum, en una cel·la galvànica els electrons es desplacen des de l'ànode (on passa l'oxidació) cap al càtode (on passa la reducció), generant un corrent elèctric a partir d'una reacció química d'oxidació-reducció (redox). Aquest principi és la base del funcionament de les piles i bateries utilitzades en nombrosos dispositius electrònics.
La pila voltaica
La pila voltaica és un tipus específic de cel·la galvànica, inventada per Alessandro Volta, que utilitza el mateix principi de conversió d'energia química a elèctrica, però amb una estructura definida. En lloc d'utilitzar un sol electròlit, la pila voltaica utilitza dos metalls diferents, com el zinc i el coure, submergits en solucions electrolítiques separades.
El flux delectrons entre els dos elèctrodes, a través dun conductor extern, genera un corrent elèctric constant.
La diferència principal entre la pila voltaica i altres cel·les galvàniques rau en el disseny i la capacitat per generar una font d'energia elèctrica de manera estable. La pila voltaica va ser la primera a oferir una font contínua d'electricitat, permetent avenços en la tecnologia elèctrica i en les primeres investigacions sobre bateries.
Tipus de cel·les
De tipus de cel·les galvàniques en distingim tres:
Cel·la de concentració
Una pila de concentració és una pila primària (no recarregable) que utilitza dues semicel·les galvàniques amb la mateixa espècie química però amb concentracions diferents.
Per exemple, una pila d'aquest tipus pot estar formada per dos elèctrodes de coure submergits en dues solucions que contenen sulfat de coure (
). Les dues solucions tenen concentracions diferents i els elèctrodes estan separats per un envà porós o per un pont salí.
La bateria es descarregarà quan la concentració de l'electròlit a les dues mitges cel·les sigui la mateixa.
Cel·la electrolítica
Una cel·la electrolítica consta de dos elèctrodes submergits en un tanc que conté un electròlit. Generalment, l'electròlit consta de dues solucions d'electròlits que poden intercanviar ions a través d'un pont de sal o un envà porós.
Es produeix una reacció d'oxidació a l'ànode. D'altra banda, al càtode es produeix una reacció de reducció. El resultat és que es produeix una reacció redox a la cel·la que aprofita l'energia elèctrica externa perquè es produeixi.
Els signes dels pols estan invertits pel que fa a una cel·la galvànica. En una cel·la electrolítica, l'ànode és el pol positiu, mentre que el càtode és el pol negatiu.
Cel·la electroquímica
Les piles electroquímiques estan compostes per dos semi-elements, també anomenats semi cèl·lules.
Aquests semielements es mantenen separats per una membrana semipermeable o estan continguts en contenidors separats connectats per un pont de sal. En connectar els semi-elements, un semi-element allibera electrons mitjançant la reacció d'oxidació. Alhora, aquests electrons es transfereixen a l'altre per donar lloc a la reacció de reducció.