שתי מתכות ותיל
העמידו פס אבץ בתמיסה של אבץ גופרתי ופס נחושת בתמיסה הכחולה של נחושת גופרתית, וחברו את שתי הכוסות הכימיות בצינור מלא ג’ל מלוח. שום דבר לא קורה עד שתחברו את המתכות בתיל. אז זורם זרם, ומד שמחובר לתיל מראה בערך וולט אחד. בניתם תא גלווני, גרסה של התא שבנה ג’ון דניאל בשנת 1836 כדי להפעיל טלגרפים, והאב הקדמון של כל סוללה מאז.
אלקטרוכימיה היא חקר התגובות שמעבירות אלקטרונים מחומר אחד לאחר לאורך מסלול שאפשר להכניס בו תיל. בדרך כלל, כשאבץ פוגש יוני נחושת, האלקטרונים קופצים ישירות במקום שבו הם נוגעים זה בזה, והאנרגיה הופכת לחום. תא מחזיק את שני השותפים בנפרד, כך שהדרך היחידה של האלקטרונים לעבור מאחד לשני היא מסביב, מבחוץ, דרך מה שחיברתם: מד, מנוע, טלפון.
יש מתכות שמשחררות אלקטרונים בקלות רבה יותר
כל מתכת אוחזת באלקטרונים החיצוניים שלה באחיזה משלה. אבץ משחרר אותם בקלות רבה יותר מנחושת. בכוס השמאלית אטומי אבץ משאירים את שני האלקטרונים החיצוניים שלהם בפס ונודדים אל התמיסה כיוני אבץ, Zn²⁺. זה חמצון, איבוד אלקטרונים, והפס שבו הוא מתרחש הוא האנודה. האלקטרונים הנטושים מצטופפים בפס האבץ והופכים אותו לקוטב השלילי.
בכוס הימנית יוני נחושת, Cu²⁺, קולטים אלקטרונים שמגיעים דרך התיל ומשתקעים על פס הנחושת כאטומי נחושת. זה חיזור, קבלת אלקטרונים, והפס הזה הוא הקתודה, הקוטב החיובי. בסך הכול, האבץ מתמוסס והנחושת משתקעת:
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
המתח של התא מודד עד כמה מתכת אחת מוסרת אלקטרונים ברצון רב יותר מהאחרת. כימאים מציינים את הנטייה של כל מתכת כפוטנציאל אלקטרודה תקני, בוולטים, שנמדד ביחס לאלקטרודת ייחוס שעשויה ממימן. הפוטנציאל של נחושת הוא +0.34 V ושל אבץ −0.76 V, ולכן תא אבץ–נחושת נותן 0.34 − (−0.76) = 1.10 V.
נסו: שנו את המתכת השמאלית. מגנזיום מול נחושת נותן בערך 2.7 V, ברזל בערך 0.8 V, עופרת פחות מחצי וולט. אחר כך בחרו כסף: כסף מחזיק את האלקטרונים שלו חזק יותר מנחושת, ולכן התפקידים מתחלפים. הנחושת מתמוססת, הכסף משתקע, והמד, שעדיין מחובר באותו אופן, מראה ערך שלילי.
הצגת יונים ואלקטרונים: יונים ואלקטרונים
בחרו פועל תחת הצגת יונים ואלקטרונים, והתמיסות דוהות. בכל פעם שזוג אלקטרונים יוצא לדרך לאורך התיל, אטום עוזב את פני האנודה כיון, ועל הקתודה מגיע יון, מקבל שני אלקטרונים ונשאר שם כאטום מתכת. ככל שהאלקטרונים צועדים מהר יותר לאורך חוטי החיבור, כך זה קורה מהר יותר: הזרם בתיל והתגובה בכוסות הם אותו דבר, שנספר במקומות שונים.
זה היה נעצר מהר מעצמו. הכוס השמאלית הייתה מתמלאת ביוני אבץ חיוביים עודפים, הכוס הימנית הייתה מאבדת יוני נחושת חיוביים, והמטען שהיה מצטבר בכל אחת מהן היה מעכב את התגובה. גשר המלח מונע את זה. זה צינור של ג’ל שמכיל מלח כמו אשלגן חנקתי, והיונים שלו נודדים החוצה אל הכוסות: יוני ניטראט שליליים לכיוון הצד של האנודה, ויוני אשלגן חיוביים לכיוון הצד של הקתודה. אלקטרונים נושאים את הזרם בתיל; יונים נושאים אותו בתמיסות ובגשר.
למה המתח צונח תחת עומס
תא אינו מקור מתח מושלם. היונים שלו צריכים לפלס את דרכם בתמיסות ובגשר, ולמסלול הזה יש התנגדות משלו, שנקראת התנגדות פנימית. בתא הזה היא נלקחת כ־10 Ω. הזרם נקבע על ידי המעגל כולו:
זרם = מתח התא ÷ (התנגדות העומס + התנגדות פנימית)
כשהתנגדות העומס גדולה זורם רק טפטוף של זרם, כמעט שום מתח לא הולך לאיבוד בפנים, והמד מראה קרוב ל־1.10 V המלאים. הקטינו את העומס וזורם יותר זרם, אבל חלק גדול יותר מהמתח מתבזבז בתוך התא. בקצר המד מראה אפס: כל המתח של התא הולך על דחיפת זרם דרך התא עצמו, והוא פשוט מתחמם.
נסו: העלו את התנגדות העומס עד 500 Ω וקראו את המד, ואחר כך הורידו אותה ל־50 Ω, ל־5 Ω ול־0 Ω. המתח יורד ככל שהזרם עולה. העומס מקבל את ההספק הגדול ביותר כשההתנגדות שלו שווה לזו של התא עצמו, 10 Ω.
זו הסיבה שסוללת פנס שמראה 1.5 V על מד יכולה להראות הרבה פחות בזמן שהיא מדליקה נורה חזקה, ולמה המתח של סוללה ריקה נראה תקין עד שמבקשים ממנה זרם.
תאים, סוללות, חלודה וציפוי אלקטרוליטי
חברו תאים בטור והמתחים שלהם מצטרפים, וכך קיבלה הסוללה את שמה: סוללה של תאים. סוללות מודרניות מחליפות את הכוסות ואת הגשר במשחות ובמפרידים דקים, ובוחרות זוגות חומרים עם הפרש פוטנציאל גדול, כמו ליתיום מול תחמוצת מתכת בתא של סוללת יוני ליתיום.
אותן תגובות פועלות בכיוון ההפוך כשדוחפים זרם בכיוון השני. זו אלקטרוליזה: היא טוענת סוללה נטענת, מצפה פלדה באבץ או בכרום בציפוי אלקטרוליטי, מזקקת נחושת ומייצרת אלומיניום. והן פועלות גם בלי הזמנה, כששתי מתכות נוגעות זו בזו בתנאים רטובים ומלוחים: בורג פלדה בתוך מחבר נחושת מחליד הרבה יותר מהר מכל אחד מהם לבד, כי הזוג יוצר תא קטן שבו הברזל הוא האנודה. מהסיבה הזאת ספינות נושאות גושי אבץ או מגנזיום שמוברגים לגוף הספינה; הם מתמוססים במקום הפלדה.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
התא שומר על המתח התקני שלו לנצח, אבל תא אמיתי משתנה בזמן שהוא פועל: יוני אבץ מצטברים, יוני נחושת אוזלים, והמתח זוחל למטה. ההתנגדות הפנימית כאן היא מספר קבוע אחד, ואילו בתא אמיתי היא תלויה בריכוז התמיסות, בטמפרטורה ובחלק של האלקטרודות שטבול בתמיסה. משיכת זרם גדול גם גורמת למתח לצנוח בדרכים שהתנגדות לבדה לא מתארת, כי היונים ליד כל פס נצרכים מהר יותר ממה שאפשר להחליף אותם. גשר המלח כאן אף פעם לא נשאר בלי יונים. ופוטנציאלים תקניים מתארים מתכות בתמיסות של היונים שלהן בריכוז של 1 mol לליטר; מגנזיום במיוחד מגיב עם מים בעצמו, ותא מגנזיום–נחושת אמיתי מספק פחות מה־2.7 V שלו.