Ogniwo elektrochemiczne, które powoduje zewnętrzny przepływ prądu elektrycznego, można utworzyć przy użyciu dowolnych dwóch różnych metali, ponieważ metale różnią się skłonnością do utraty elektronów. Cynk łatwiej traci elektrony niż miedź, więc umieszczenie cynku i miedzi w roztworach ich soli może spowodować przepływ elektronów przez zewnętrzny przewód, który prowadzi od cynku do miedzi. Ponieważ atom cynku dostarcza elektronów, staje się on jonem dodatnim i przechodzi do roztworu wodnego, zmniejszając masę elektrody cynkowej. Po stronie miedzi, dwa otrzymane elektrony pozwalają jej na przekształcenie jonu miedzi z roztworu w nienaładowany atom miedzi, który osadza się na elektrodzie miedzianej, zwiększając jej masę. Te dwie reakcje są zwykle zapisywane w postaci
Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e-
Cu2+(aq) + 2e- --> Cu(s)
Litery w nawiasach przypominają, że cynk przechodzi ze stanu stałego (s) do roztworu wodnego (aq) i odwrotnie dla miedzi. W języku elektrochemii typowe jest określanie tych dwóch procesów jako "półreakcji", które zachodzą na dwóch elektrodach.
| Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e- | | Półreakcja cynku" jest klasyfikowana jako utlenianie, ponieważ traci on elektrony. Końcówka, na której zachodzi utlenianie, nazywana jest "anodą". W przypadku baterii jest to zacisk ujemny. | |
| Półreakcja miedzi jest klasyfikowana jako redukcja, ponieważ miedź zyskuje elektrony. Końcówka, na której zachodzi redukcja nazywana jest "katodą". W przypadku baterii jest to biegun dodatni. | | Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s) |
Aby ogniwo woltaiczne mogło nadal wytwarzać zewnętrzny prąd elektryczny, musi następować przemieszczanie się jonów siarczanowych w roztworze z prawej strony na lewą, aby zrównoważyć przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym. Same jony metalu muszą być pozbawione możliwości przemieszczania się pomiędzy elektrodami, więc jakiś rodzaj porowatej membrany lub inny mechanizm musi zapewnić selektywny ruch jonów ujemnych w elektrolicie z prawej do lewej strony.
Aby zmusić elektrony do przemieszczania się z elektrody cynkowej na miedzianą, potrzebna jest energia, a ilość energii przypadająca na jednostkę ładunku dostępnego w ogniwie woltaicznym nazywana jest siłą elektromotoryczną (emf) ogniwa. Energia na jednostkę ładunku wyrażana jest w woltach (1 wolt = 1 dżul/kulomb).
Oczywiście, aby uzyskać energię z ogniwa, należy uzyskać więcej energii uwolnionej z utleniania cynku niż potrzeba na redukcję miedzi. Ogniwo może dostarczyć skończoną ilość energii z tego procesu, który jest ograniczony przez ilość materiału dostępnego w elektrolicie lub w metalowych elektrodach. Na przykład, jeśli po stronie miedzi znajduje się jeden mol jonów siarczanowych SO42-, to proces jest ograniczony do przeniesienia dwóch moli elektronów przez obwód zewnętrzny. Ilość ładunku elektrycznego zawartego w jednym molu elektronów nazywana jest stałą Faradaya i jest równa liczbie Avogadro pomnożonej przez ładunek elektronu:
Stała Faradaya = F = NAe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10-19 = 96,485 kulombów/mol
Uzysk energii z ogniwa woltaicznego jest określony przez napięcie ogniwa razy liczbę moli przeniesionych elektronów razy stałą Faradaya.
Wydajność energii elektrycznej = nFEcell
Emf ogniwa Ecell można przewidzieć na podstawie standardowych potencjałów elektrod dla obu metali. Dla ogniwa cynk/miedź w warunkach standardowych, obliczony potencjał ogniwa wynosi 1,1 V.
