Το στοιχείο Daniell

Το στοιχείο Daniell είναι ένα απλό γαλβανικό στοιχείο, που προκύπτει από το συνδυασμό ενός ημιστοιχείου ψευδαργύρου [Zn_(s)/Zn²⁺_(aq)] και ενός ημιστοιχείου χαλκού [Cu_(s)/Cu²⁺_(aq)].

Η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να διαπιστωθεί με τη βοήθεια ενός βολτομέτρου ή με την παρεμβολή ενός ηλεκτρικού λαμπτήρα, ο οποίος φωτοβολεί. Αν μάλιστα αφήσουμε το στοιχείο σε λειτουργία για ένα εύλογο χρονικό διάστημα, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι σταδιακά το ηλεκτρόδιο του ψευδαργύρου διαλύεται, ενώ ταυτόχρονα αυξάνει η μάζα του ηλεκτροδίου του χαλκού. Επιπλέον, η χημική ανάλυση των δύο διαλυμάτων δείχνει ότι η συγκέντρωση των κατιόντων ψευδαργύρου στο διάλυμα του θειικού ψευδαργύρου αυξάνεται, ενώ, αντίθετα, η συγκέντρωση των κατιόντων χαλκού (ΙΙ) στο διάλυμα του θειικού χαλκού (ΙΙ) ελαττώνεται.

Λειτουργία του στοιχείου Daniell

Οι παραπάνω διαπιστώσεις μας επιτρέπουν να προσεγγίσουμε τον τρόπο λειτουργίας του στοιχείου Daniel. Έτσι, θεωρούμε ότι, στο ημιστοιχείο του ψευδαργύρου, ο ψευδάργυρος οξειδώνεται συνεχώς, με αποτέλεσμα την (ηλεκτρο)διάλυσή του και την αύξηση της συγκέντρωσης των κατιόντων ψευδαργύρου στο διάλυμα σύμφωνα με την ημιαντίδραση:

Zn_(s)    Zn²⁺_(aq) + 2e^-

Παράλληλα, τα ηλεκτρόνια που παράγονται ρέουν μέσω του σύρματος προς το ηλεκτρόδιο του χαλκού, γεγονός που ισοδυναμεί με ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο έχει συμβατική φορά από το ηλεκτρόδιο του χαλκού προς αυτό του ψευδαργύρου. Στο ημιστοιχείο του χαλκού, κατιόντα χαλκού (ΙΙ) από το διάλυμα προσλαμβάνουν συνεχώς τα ηλεκτρόνια που καταφθάνουν και ανάγονται προς μεταλλικό χαλκό, ο οποίος επικάθεται (ηλεκτροαποτίθεται) στο ηλεκτρόδιο:

Cu²⁺_(aq) + 2e^-    Cu_(s)

Η γέφυρα άλατος κλείνει το κύκλωμα και επιτρέπει την αντιστάθμιση των φορτίων τα οποία δημιουργούνται ή καταναλώνονται κατά τις δράσεις, εξασφαλίζοντας την ηλεκτρική ουδετερότητα των διαλυμάτων. Έτσι, τα ιόντα Zn²⁺, που παράγονται στο ημιστοιχείο του ψευδαργύρου, εξισορροπούνται από τα ανιόντα (π.χ. Cl^-) του ηλεκτρολύτη της γέφυρας, ενώ τα ιόντα Cu²⁺, που καταναλώνονται στο ημιστοιχείο του χαλκού, αντικαθίστανται από τα κατιόντα (π.χ. Κ⁺, NH₄⁺).

Χαρακτηρισμός ηλεκτροδίων - Συμβολισμός

Στο στοιχείο Daniell, όπως και σε κάθε γαλβανικό στοιχείο:

• το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται οξείδωση και, επομένως, αποτελεί τον αρνητικό του πόλο, ονομάζεται άνοδος
• το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται αναγωγή και, επομένως, αποτελεί το θετικό πόλο του στοιχείου, ονομάζεται κάθοδος.

Η συνολική ηλεκτροχημική δράση (οξειδοαναγωγική αντίδραση), που λαμβάνει χώρα στο στοιχείο, προκύπτει από την αλγεβρική πρόσθεση των δύο ημιαντιδράσεων:

Zn_(s) + Cu²⁺_(aq)     Zn²⁺_(aq) + Cu_(s)

Η αντίδραση αυτή είναι αυθόρμητη, γίνεται δηλαδή χωρίς καμία εξωτερική παρέμβαση ή καταναγκασμό, και αποδίδεται διαγραμματικά κατά το συμβολισμό του στοιχείου ως εξής:

Zn_(s) / Zn²⁺ (aq, 1Μ) ll Cu²⁺ (aq, 1Μ) / Cu_(s)

δηλαδή, η άνοδος γράφεται αριστερά, η κάθοδος δεξιά, η διαχωριστική επιφάνεια ανάμεσα στις δύο φάσεις κάθε ημιστοιχείου συμβολίζεται με μία απλή γραμμή και η γέφυρα άλατος με μία κάθετη διπλή γραμμή.