Galvanické clánky a akumulátory

Galvanické clánky a akumulátory
Na sklonku leta roku 1786 pitval taliansky lekár Luigi Galvani žabu. Neviem síce,
akému cielu mala táto zábavka pôvodne slúžit, ale Galvani pri nej prišiel na jednu velmi
zaujímavú vec. Pitvaná žaba bola položená na ocelovej doske. Ked sa medeným
drôtikom zapichnutým do jej miechy dotkol ocelovej dosky, žabie stehienka "ožili" a
zacali sa zmrštovat. Samotný Galvani si tento úkaz vysvetloval ako tzv. zvieraciu
elektrinu, co však nebolo správne vysvetlenie. Žaba žiadnu elektrinu nevyrábala. Prvý
galvanický clánok zostavil ruku 1800 A. Volta.
Galvanické clánky môžeme rozdelit na:
a) primárne clánky: premienajú chemickú energiu na elektrickú
b) sekundárne clánky: dajú sa nabíjat a vybíjat a znovu nabíjat, teda pracujú obrátene
- akumulátory
c) palivové clánky: dodávajú elektrický výkon tak dlho, pokial je im privádzané palivo.
Akumulátory
Akumulátor je elektrochemický zásobník el. energie, ktorý je možné opakovane nabíjat.
Pri nabíjaní akumulátoru cez jeho elektródy sa elektrická energia mení na chemickou,
pri vybíjaní sa opät uvolnuje elektrická energia. Akumulátory existujú iba pre
jednosmerný prúd. Poskytujú prúd nezávisle na elektrické sieti a umožnujú
vyrovnávanie prúdových špiciek. Stav nabitia akumulátoru sa kontroluje stanovením
hustoty elektrolytu. Sériovým zapojením niekolkých clánkov za sebou do batérie sa
znásobuje napätie, paralelné zapojenie zvyšuje kapacitu. Doposial najpoužívanejší je
olovený akumulátor, vynájdený v roku 1859 Francúzom Gastonom Planté. Jeho
základom sú dosky zhotovené z inertného nosica, ktorý je upravený do tvaru mriežky,
aby mal co najväcší povrch. Na mriežku sa nanáša pasta tvorená síranom olovnatým a
kyselinou sírovou, ktorá sa používa aj ako elektrolyt (20% roztok). Dosky sú oddelené
tzv. separátorom, ktorý je zhotovený zo sklenenej vaty a obsahuje dalšie prímesi.
Pokial k elektródam pripojíme zdroj jednosmerného elektrického prúdu, na katóde sa
bude vylucovat tmavošedé olovo a na anóde sa bude vytvárat vrstvicka
cervenohnedého oxidu olovicitého. Týmto spôsobom vznikne sústava, ktorá sa dá po
odpojení zdroja jednosmerného elektrického prúdu využit ako galvanický clánok.
Galvanické clánky
Podla L. Galvaniho pomenované zariadenie na priamy prevod chemickej energie na
elektrickou. Skladá sa z dvoch rozdielnych, prevažne kovových elektród, ktoré sú
ponorené do spolocného elektrolytu, resp. do dvoch elektrolytov oddelených pórovitou
prepážkou, bez toho aby sa vzájomne dotýkali.
Vo vonkajšom vodici, ktorý spája elektródy, vzniká elektrický prúd. Pre vznikajúce
napätie na elektródach, ktoré vyvolá el. prúd, je rozhodujúce postavenie dotycných
látok v elektrochemickom napätovom rade. Prvý galvanický clánok zostrojil r. 1800 N.
Volta. Clánok, vynájdený francúzskym chemikom G. Leclanché (1839 až 82), dosiahol v
suchej batérii napätí 1,5 V. V zinkové nádobe ako negatívnej katóde a v elektrolyte z
10–20% roztoku salmiaku sa ako anóda nachádza uhlíková tycinka, ktorá je obklopená
burelom, umiestneným do vrecúška alebo hlineného valca. V bureli oxiduje vznikajúci
vodík na vodu. Vznikajúca elektromotorická sila má hodnotu 1,5 V
Palivový clánok
Palivový clánok je vlastne galvanický clánok na premenu chemickej energie plynné
látky (vodíka) na energiu elektrickú. K premene dochádza pri katalytické reakcii s
oxidovadlom na elektródach. Palivové clánky sa vyznacujú vysokou úcinnostou
premeny energie (85%) a ekologickými výhodami, jediným odpadovým produktom je
voda. Najznámejším palivovým clánkom je clánok kyslíkovodíkový. Na to, aby sme
pochopili fungovanie galvanických clánkov a akumulátorov si musíme vysvetlit
elektrickú vodivost kvapaliny a jej praktické využitie. V kvapalinách sprostredkujú
elektrický prúd volné pohyblivé katióny a anióny. Vodivé roztoky nazývame elektrolyty.
Vznikajú rozpustením iónovej zlúceniny v nejakom rozpúštadle. Elektrolyty sú vodné
roztoky mnohých solí ( NaCl, KCl), kyselín (H2SO4 , HNO3 ) a zásad (KOH, NaOH).
Ióny spolu s molekulami rozpúštadla vykonávajú neustály a neusporiadaný pohyb. Ak
do elektrolytu vložíme dve elektródy a pripojíme ich ku svorkám jednosmerného zdroja
napätia, vznikne medzi elektródami elektrické pole vo vnútri elektrolytu, ktoré vyvolá
usmernený pohyb iónov v roztoku (iónová vodivost). Katióny sa zacnú pohybovat ku
katóde pripojenej k zápornej svorke zdroja a anióny k anóde (elektróde pripojenej ku
kladnej svorke zdroja). S prenosom náboja pozorujeme tiež prenos látky. Usporiadaný
pohyb iónov v el. poli medzi elektródami tvorí el. prúd v elektrolyte. Podla dohody je
smer prúdu urcený smerom pohybu kladných iónov. Usporiadaný pohyb iónov v
elektrolyte koncí na elektródach, kde ióny odvádzajú náboje a vylucujú sa na povrchu
elektród ako atómy, alebo molekuly, alebo chemicky reagujú s materiálom elektródy, ci
elektrolytom. Dej, pri ktorom priechodom el. prúdu elektrolytom dochádza k látkovým
zmenám nazývaným elektrolýza. 1. Faradayov zákon
Pri elektrolýze sa na katóde vždy vylucuje vodík, alebo kov.
Výsledky elektrolýzy daného roztoku závisí od materiálu z ktorého sú elektródy.
Vedením el. prúdu v elektrolytoch študoval anglický fyzik M. Faraday (1791 - 1867).
Zistil, že hmotnosti látok vylúcených na - 2 - elektródach sú priamo úmerné celkovému
el. náboju, ktorý preniesli ióny pri elektrolýze - je to 1. Faradayov zákon. Polarizácia
elektród sa využíva v sekundárnych galvanických clánkoch - akumulátoroch. Príkladom
je olovený akumulátor. U nabitého akumulátora sú obe elektródy tvorené PbSO4.
Vzniknutý galvanický clánok má napätie asi 2,1 V (volta). Pri vybíjaní vzniká na oboch
elektródach opät PbSO4. Akumulátor sa teda dá mnohokrát nabit. Po castom nabíjaní
sa akumulátor znehodnocuje, až nebude použitelný. Využitie v praxi
Do misky s roztokom síranu zinocnatého vložíme ocistený zinkový plech. Do druhej
misky s roztokom síranu mednatého vložíme ocistený medený plech. Obidva roztoky
vodivo spojíme drôtom. V tomto prípade vzniká napätie 1.1 V. Oba kovy spojíme do
elektrického obvodu, kde spotrebicom je žiarovka, napr. 2,5 V. Žiarovka zapojená do
elektrického obvodu sa rozsvieti. Pri odoberaní elektrického prúdu z tohto clánku
prebiehajú tieto reakcie:
a) Kovový zinok sa oxiduje (uvolnuje prúd elektrónom) a vznikajú zinocnaté katióny
b) Mednaté katióny sa redukujú (prijímajú elektróny) a vzniká med.