גשר מלח
גשר מלח בתא גלווני הוא אביזר מכיל מלח שכל אחת מקצותיו טובלת בתמיסה של חצי תא. הוא משמש לאיזון המטען החשמלי בכל אחד מחצאי התאים ובכך מאפשר את המשך מעבר הזרם בין האלקטרודות כפי שיוסבר להלן.
למרות שמו הרומז לכך שחומרים חיצוניים נכנסים אליו מצד אחד ויוצאים מצד שני, גשר המלח אינו אמור לקלוט חומרים חיצוניים כלל: המלח שבגשר הוא זה שמספק יונים שליליים וחיוביים אל התמיסות בהן הוא טובל.
המלח שרוי בג'ל כדוגמת אגר-אגר ונתון במיכל זכוכית עם נקבים זעירים בקצותיו. את הזכוכית העמידה בפני תגובות כימיות מחליפים לעיתים בטפלון, פוליאתילן ולאחרונה נעשה גם שימוש בממשק פחם עם נקבוביות.[1] בניסויי מעבדה מחליפים את מיכל הזכוכית בנייר סינון ספוג במלח שקצותיו טובלים בתמיסות.[2]
תיאור פעילות גשר המלח
[עריכת קוד מקור | עריכה]בתא גלווני יש שני חצאי תאים ובתוכם תמיסת יונים מאוזנת מבחינת מטען חשמלי. לכל תמיסה מחוברת אלקטרודה עשויה ממתכת שונה. היונים החיוביים (קטיונים) בכל תמיסה הם מאותו סוג של מתכת האלקטרודה. היונים השליליים (אניונים) הם של חומר אחר, על פי רוב סולפט.
מעבר האלקטרונים מהאנודה לקתודה גורם להן להיטען במטען מנוגד:
- עודף אלקטרונים בקתודה ( עשויה נחושת באיור). מטען שלילי זה מושך את היונים החיוביים של המתכת מהתמיסה, הם מקבלים את האלקטרונים העודפים בקתודה ונצמדים אליה. כתוצאה מכך נותר בתמיסה עודף יונים שליליים.
- אובדן אלקטרונים באנודה (עשויה אבץ באיור). נוצרים יוני מתכת חיוביים מחומר האנודה שנושרים לתוך תמיסת האנודה. כתוצאה מכך מצטבר בה מטען חיובי.
עודפי המטען החשמלי בתמיסות, במידה ויישארו, ייצרו שדות חשמליים המנוגדים לכיוון תנועת האלקטרונים בין האלקטרודות וישביתו אותה. המלח בגשר המלח מאפשר את ניטרול המטענים העודפים האלה בשתי התמיסות: יוני המלח החיוביים נמשכים לתמיסה השלילית שמסביב לקתודה ויוני המלח השליליים נמשכים לתמיסה החיובית שמסביב לאנודה.
עם הזמן המלח בגשר מתמעט, הניטרול פוחת והזרם בין האלקטרודות מואט ולבסוף פוסק.
יש להדגיש שיוני המלח נמשכים למטען החשמלי הכללי שבתמיסות ונותרים שרויים בהן מבלי להגיב עם יונים מהמטען הנגדי. בפרט: היונים החיוביים מן המלח נושרים לתמיסה בצד הקתודה השלילית אך אינם נצמדים לקתודה (בניגוד ליוני המתכת) וגם לא מגיבים עם יוני הסולפאט. היונים השליליים מן המלח נושרים לתמיסה מצד האנודה החיובית ואינם מגיבים עם יוני המתכת החיוביים.
סיכום תנועות המטענים החשמליים
[עריכת קוד מקור | עריכה]במעגל חשמלי בו קיים גשר מלח, למשל תא דניאל, קיימות אם כן 5 תנועות שונות של מטענים חשמליים:
א. האלקטרונים נעים מהאנודה לקתודה - זה הזרם החשמלי.
ב. קטיוני המתכת שבתמיסת הקתודה נעים לעבר הקתודה עוברים חיזור ונצמדים אליה.
ג. הקטיונים שמשתחררים מן האנודה מתפזרים בתמיסת חצי תא האנודה.
ד+ה. הקטיונים והאניונים מגשר המלח מתפזרים בהתאמה בתמיסת חצי תא הקתודה ותמיסת חצי תא האנודה.
נשים לב שהמטען החשמלי בשתי התמיסות מנוטרל באופן שונה: בתמיסת האנודה משתחררים גם קטיונים מן האנודה וגם אניונים מגשר המלח ומנטרלים זה את זה, לכן ריכוז היונים הכללי בתמיסה עולה בהתמדה. בתמיסת הקתודה לעומת זאת, הקטיונים שמשתחררים מגשר המלח מחליפים את קטיוני המתכת שנצמדים לאלקטרודה. לכן ריכוז היונים הכללי בתמיסת הקתודה לא יעלה באותו אופן. ההבדל בריכוזי היונים לא משפיע על התמיסות כי הן מנותקות.
סימון התנועות של היונים
[עריכת קוד מקור | עריכה]את הגשר נוהגים לסמן ב || ואת מקום מפגש האלקטרודה עם התמיסה (Phase boundary) ב |. בנוסף רושמים במולים (2M,1M...) את יחסי הכמויות בין היונים.[3]
לא מסמנים את תנועת יוני המלח. מחשיבים אותם כ"צופים" (הסבר המונח בסעיף סוגי מלח).
הסימון של תנועות היונים באיור שלמעלה יהיה: Zn|Zn2+ (1M) || Cu2+ (1M) | Cu
סוגי מלח שמתאימים לגשר מלח
[עריכת קוד מקור | עריכה]על המלח לנטרל כמות זהה של יונים בשתי התמיסות ובאותה מהירות. לכן:
- עליו להיות מסיס במים.
- הוא צריך להיות אינרטי כלומר להישאר בתמיסה מבלי להיקשר ליונים האחרים שבתוכה. בשל כך היונים שלו נקראים צופים (spectators). מלחים אינרטיים כוללים תרכובות של אטומים ממשפחת האלקלי עם אלו שממשפחת ההלוגן.
- מהירות התנועה של היונים החיוביים והשליליים שבמלח צריכה להיות שווה בערך, כדי למנוע הפרשי מטען בין 2 חצאי התא. המהירות מושפעת מגודלם וממטענם של היונים. יונים קטנים יהיו מהירים יותר כמו גם יונים בעלי מספר מטען גבוה.
מלח נפוץ ביותר הוא אשלגן כלורי KCl כי הכלור והאשלגן קטנים, דומים בגודלם (לשני היסודות יש 3 קליפות אלקטרונים) וגובה מטענם זהה - אחד. גם אשלגן חנקתי KNO3 מתאים משום שגודל היונים של יון הניטראט NO3 דומה לזה של האשלגן. יש לו יתרון על הכלור שבתנאים מסוימים עשוי ליצור תגובה כימית עם אחד המרכיבים. מלחים אחרים בשימוש הם אשלגן יודי KI ואשלגן ברומי KBr. בהדגמות משתמשים לעיתים במלח בישול NaCl, אך דרושה זהירות רבה שהתא לא יכיל מתכות כגון כסף עמן הכלור עשוי להגיב.
המלח צריך להיות גם בריכוז גבוה מספיק כדי לאפשר זמינות מהירה של היונים. [4]
היסטוריה
[עריכת קוד מקור | עריכה]100 שנה מפרידות בין המצאת הסוללה החשמלית הראשונה לפיתוחו של גשר המלח ב 1897.[5] תא גלווני בעל תא יחיד הומצא ב 1799 ושופר ב 1836 על-ידי תא דניאל. תא זה כבר היה מורכב משני חצאי תאים אך עם מפגש בין תמיסותיהם. בנקודת המפגש היו הפרשי מתחים שגרמו למעבר יונים ביניהם. גשר המלח הוסף כ 70 שנה אחר-כך כדי לבודד את שני חצאי התאים לחלוטין תוך מציאת דרך להיפטר מהמטען החשמלי העודף שבכל אחד מהם. כך קיבל תא דניאל את התצורה המוכרת כיום השונה מהותית מצורתו המקורית.
המונח "גשר מלח" החל להופיע במאמרים בארצות הברית רק בשנות ה-20 של המאה 20. בעשרים השנים הראשונות כונה האביזר במגוון שמות כגון: תמיסה מקשרת (1911), מיכל מקשר (1913), סיפון מקשר (1913)[6] . בגרמנית הוא גם כונה Stromschlüssel (מַפְתֵחַ זֶרֶם) מה שמתאר יפה את תפקודו.
הערות שוליים
[עריכת קוד מקור | עריכה]- ^ Jun-Seob Lee Use of a charcoal salt bridge to a reference electrode in an alkaline solution ,www.sciencedirect.com 15 פברואר 2020
- ^ Filter Paper Salt Bridge in Potentiometric Titrations
- ^ אתר LibreTexts פרויקט לימוד ברשת
- ^ אתר LibreTexts פרויקט לימוד ברשת
- ^ Takashi Kakiuchi Salt bridge in electroanalytical chemistry: Past, present, and future , www.researchgate.net יולי 2011, עמוד 1662
- ^ Takashi Kakiuchi Salt bridge in electroanalytical chemistry: Past, present, and future , www.researchgate.net יולי 2011, עמוד 1663