ELEKTROCHEMICKÉ ČLÁNKY
 |
Galvaniho
"živočišná" elektřina |
Italský přírodovědec a lékař Luigi
Galvani (1737 - 1798) při pitvání žab zpozoroval (vlastně první si toho všimla
jeho žena), že sebou žabí stehýnka položená na plechu při dotyku operačního
nože škubají. V letech 1780 až 1790 provedl Galvani mnoho pokusů s žabími
stehýnky. Mylně se domníval, že cukání žabích stehýnek způsobuje
"živočišná" elektřina.
Na pokusy Luigi Galvaniho navázal jiný italský fyzik Alessandro Volta (1745 -1827). Zjistil, že
jevy, které pozoroval Galvani, způsobuje dotyk dvou různých kovů oddělených vlhkou
látkou. Svůj objev zveřejnil roku 1800 v Londýně.
Alessandro Volta sestrojil první elektrický článek a na Galvaniho počest nazval
vyráběný proud proudem galvanickým. Odtud pochází i název pro dnešní galvanické články.
 |
Znali galvanické články skutečně již
před počátkem našeho letopočtu ? |
Ovšem první elektrický článek možná fungoval o mnoho století dříve. V jednom
bagdádském muzeu je uchováván elektrický článek z období parthské říše (250
př. n.1. 224 n.1.). V nádobě z pálené hlíny asi 18 cm vysoké je umístěn 10 cm
vysoký válec z měděného plechu. Železná tyčinka provlečená víčkem válce je
ode dna i od víčka měděného válce izolována asfaltem. Někteří vědci se
domnívají, že jako elektrolyt pravděpodobně sloužila vymačkaná šťáva z hroznů.
Tento zdroj stejnosměrného proudu se mohl používat ke galvanickému pozlacování
různých měděných nebo stříbrných nádob, šperků a jiných předmětů.
Elektrolyty
Elektrolyt je kapalina, ve které
dochází ke štěpení molekul na ionty záporné
anionty a kladné kationty. K rozkladu elektrolytu dochází
účinkem stejnosměrného proudu.
Elektrické pole mezi elektrodami
připojenými ke zdroji napětí způsobí, že se anionty pohybují k anodě (kladná elektroda) a kationty
přitahuje katoda (záporná elektroda). Elektrickou vodivost elektrolytu způsobuje
uspořádaný pohyb iontů. V elektrolytu se vytváří rovnováha kladných a záporných
iontů a elektrolyt navenek působí jako elektricky neutrální.
Po dopadu na zápornou elektrodu si z ní kationty doplní chybějící elektrony a
vznikne neutrální atom. Anionty při
dopadu na anodu svůj náboj odevzdávají. Neutrální částice uvolněné na
elektrodách neustále reagují mezi sebou, s elektrolytem nebo i s elektrodami.
Elektrolyt má tzv. iontovou vodivost, která umožňuje, že v elektrickém poli mezi elektrodami v elektrolytu
prochází proud.
 |
Princip galvanického článku.
Cu - měděná elektroda, Zn - zinková elektroda,
I - proud, e - směr elektronů |
Galvanické články
Galvanické články využívají
chemickou reakci, při níž se uvolňuje energie ve formě elektrického pole. Při
chemické reakci má molekula nově vzniklé sloučeniny menší energii než součet energií částí, z nichž
vznikla.
Galvanických článků existuje mnoho druhů. Některé se dají opakovaně nabíjet,
protože elektrochemické děje, které v nich probíhají, jsou vratné.
Původní články byly mokré - s tekutým elektrolytem. Dnes se nejvíce používají suché
články, jež mají mezi elektrodami pórovitou hmotu nasycenou elektrolytem. Montáž
suchých článků je velmi jednoduchá. Suché články by se vlastně měly označovat
jako vlhké, protože úplně bez vody by elektrolyt nepůsobil.
Nejjednodušší galvanický článek se skládá z elektrolytu a dvou elektrod.
Jako elektrolyt se používá kyselina sírová (H2SO4). Kladná
elektroda je z mědi (Cu) a záporná ze zinku (Zn). Při zředění kyseliny sírové
vodou (H2O) uvolňují molekuly vody pevnou vazbu molekul kyseliny sírové,
která se rozštěpí na kladné a záporné ionty. Mezi náboji je ale rovnováha a
elektrolyt zůstává elektricky neutrální.
Při ponoření zinkové elektrody do elektrolytu se začne zinek rozpouštět a jeho
kationty nabijí elektrolyt kladně. Na elektrodě zůstanou volné elektrony a elektroda
se nabije záporně. Měď se v roztoku kyseliny sírové rozpouští méně než zinek.
Mezi kladnou a zápornou elektrodou se objeví napětí 1,05 V.
Jestliže na svorky galvanického článku připojíme spotřebič, poruší se rovnovážný stav,
elektrony se přes spotřebič odvádějí ze zinkové elektrody na elektrodu měděnou a
vodík se vylučuje na kladné elektrodě nebo uniká z elektrolytu. Tím je porušena
rovnováha mezi ionty a vzniká síran zinečnatý, který se usazuje v nádobě
galvanického článku. Protože tak v roztoku ubývají ionty zinku, dochází k novému
rozpouštění zinkové elektrody. Poněvadž vodík, vyloučený na kladné elektrodě,
by se opět slučoval a snižovalo by se napětí článku, odstraňuje se tento
nepříznivý jev depolarizátorem, kterým se elektroda obalí. Depolarizátor je látka
bohatá na kyslík, jenž váže vodík za vzniku vody.
 |
|
Suchý Leclanchéův článek.
1 - záporná (-) zinková elektroda, 2 - kladná (+) uhlíková elektroda, 3 -
zahuštěný elektrolyt, 4 - depolarizátor |
|
Nejpoužívanějšími jsou suché Leclanchéovy články. Kladná elektroda, kterou
tvoří uhlíková tyčinka, je umístěna v sáčku s depolarizátorem. Depolarizátor
tvoří směs oxidu manganičitého s grafitem a slouží k odstranění účinků
vodíku, jenž se vylučuje na uhlíkové elektrodě. Vodík je izolant, a kdyby pokryl
anodu, narušil by funkci článku. Zápornou elektrodu tvoří zinková nádoba.
Elektrolytem je chlorid amonný zahuštěný pastou, aby se neroztékal.
V Leclanchéově článku probíhá nevratný děj, proto se nedá nabíjet. Výhodou
Leclanchéova článku je nízká výrobní cena a jednoduchá konstrukce. Jeho svorkové
napětí je 1,5 V.
Galvanické články patří mezi primární články - můžeme z nich
elektrický proud odebírat, aniž jsme jim ho předtím "dodali". Jednotlivé
druhy jsou založeny na různých elektrochemických systémech. Výkonnější, ale také
dražší než Léclanchéovy články jsou alkalické a rtuťové články. Galvanické
články mohou mít válcové, ploché i hranaté tvary. Použití galvanických článků
je velice široké, například v kapesních svítilnách (monočlánky, tužkové a
ploché baterie), rozhlasových přístrojích, elektrických zvoncích, přenosných
vysílačích a přijímačích, drobných přístrojích (elektrické hračky, holicí
strojky, magnetofony, vrtačky, elektrické hodiny) atd.
Palivové články
Dalším druhem primárních článků jsou perspektivní palivové články. Oxidací
("spalováním") chemických látek se u nich chemická energie mění na energii elektrickou. Obdobně jako u
galvanických článků tedy i zde probíhají chemické reakce, ale rozdíl je v tom, že
se k jedné elektrodě přivádí palivo (např. vodík)
a ke druhé okysličovadlo (např. kyslík).
Během provozu lze u palivových článků palivo doplňovat, takže mohou pracovat
trvale. Klasický palivový článek je kyslíko-vodíkový článek, který má dvě
pórovité platinové elektrody, mezi nimiž je elektrolyt. Napětí článku je asi 1,1
až 1,23 V. Palivové články se používají v elektromobilech.
U primárních článků po doznění chemického pochodu jsou aktivní hmoty
znehodnoceny.
|
 |
|
Proslulý Voltův sloup. Sloupec
stříbrných a zinkových kotoučů proložených vlhkou plstí. |
Akumulátory
Má-li molekula nově vzniklé sloučeniny větší energii než její složky, musí
se - aby chemická reakce proběhla - do systému nejprve energie dodat. Vznikne chemicky
nestabilní sloučenina, jež se za určitých podmínek rozpadá a uvolňuje svou
energii. Tímto způsobem se může energie určitou dobu "skladovat" - akumulovat. Tento jev se využívá
v akumulátorech.
U akumulátorů rozpadem účinné chemické látky vzniká napětí. Tato chemická látka se vytváří
na elektrodách při nabíjení akumulátorů. Nejčastěji se používají olověné,
niklkadmiové a oceloniklové akumulátory.
Olověné akumulátory mají obě
elektrody z olova. Kladnou elektrodu u nabitého akumulátoru pokrývá vrstva
kysličníku olovičitého. Nádoba olověného akumulátoru bývá z tvrzené pryže,
plastu nebo ze skla. Elektrolytem je kyselina sírová, která se ředí destilovanou
vodou. Kladné elektrody mají tvar mříží a jsou vyplněny pastou nebo jsou
žebrované. Nejmodernější akumulátory používají jako kladné elektrody trubkové
desky, které mají až pětkrát vyšší životnost.
Okolo kladných elektrod jsou umístěny elektrody záporné, kterých je tedy o jednu
více než elektrod kladných. Kladné a záporné elektrody jsou od sebe odděleny
izolačními vložkami.
Napětí jednoho olověného akumulačního článku bývá 1,85 až 2,1 V. Jestliže
napětí článku klesne pod hodnotu 1,85 V, začíná nevratný pochod vytváření
nerozpustného síranu olovnatého, který akumulátor znehodnotí. Aby se tomu
zabránilo, je potřeba při poklesu napětí na hodnotu 1,85 V akumulátor ihned nabít.
Olověné akumulátory vydrží asi 300 nabíjecích cyklů. Používají se v motorových
vozidlech, najdete je prakticky v každém automobilu.
Alkalické akumulátory používají jako elektrolyt hydroxid draselný s přísadou,
zředěný destilovanou vodou.
Oceloniklové i niklkadmiové akumulátory jsou alkalické akumulátory. V porovnání s
olověnými akumulátory jsou asi čtyřikrát dražší. Jejich elektrolyt mrzne až při
-60°C a po rozmrazení je akumulátor opět schopen činnosti. Mají nižší napětí
(1,1 až 1,8 V), delší životnost a vyžadují menší nároky na údržbu. Používají
se např. v akumulátorových vozících.
Při nabíjení akumulátorů (všech typů) je vždy nutné otevřít jejich zátky, aby
se vznikající vodík, který se vzduchem tvoří třaskavou směs, dostal ven.
Speciální stříbrozinkové akumulátory dobře snášejí zkraty a
mechanické otřesy a jsou mimořádně lehké. Jsou ovšem drahé, a proto se
používají jen v letectví, u závodních automobilů, ve sdělovací technice a v
dalších speciálních případech. Stříbrokadmiové akumulátory
mají obdobné provedení jako akumulátory stříbrozinkové, ale vyznačují se navíc
dlouhou životností.
Akumulátory se používají jako startovací baterie motorových vozidel, u
akumulátorových nákladních vozíků, elektromobilů, v telefonních ústřednách, v
elektrické trakci, pro nouzová osvětlení, pro přenosné svítilny i ke stálému
osvětlování atd. Dají se vyrábět i v malých rozměrech a vzduchotěsně uzavřené.
Jejich tvary mohou být válcové, ploché i hranaté. Mají dlouhou životnost a
používají se i do přenosných zařízení (hračky, radiopřijímače, fotografické
blesky ap.).
Akumulátorové články jsou články sekundární. Při nabíjení
proudem z jiného zdroje se aktivují činné hmoty článku tak, že lze později
chemicky vyvolat jejich vybíjení, při kterém se získává elektrická energie. Jde o
vratný, opakovatelný elektrochemický pochod.
|