Galvanické články i baterie jsou chemickými zdroji proudu. To znamená, že proud v zátěžovém obvodu generovaný takovými zdroji doprovází výskyt určité chemické reakce, která je zase příčinou toku proudu.
Při chemické reakci se výchozí látky, zvané reagencie, přeměňují na jiné látky, přičemž se nemění struktura atomových jader látek, ale mění se elektrony obklopující atomová jádra: elektrony (elektronové obaly) se přerozdělují mezi činidel, což má za následek tvorbu nových látek. A během této redistribuce elektronů v chemických zdrojích proudu se elektrony pohybují po vnějším obvodu a napájejí zátěž připojenou ke zdroji.
Procesy oxidace redukčního činidla a redukce oxidačního činidla
Pro lepší pochopení principu si připomeňme, co je oxidační číslo. Oxidační číslo odpovídá počtu elektronů (elektronový náboj je záporný), které by teoreticky měly být odebrány zápornému iontu, aby se „zoxidoval“ na neutrální atom, nebo přidány ke kladnému iontu, aby se „redukoval“ na neutrální atom. .
Když se během chemické reakce změní oxidační stavy reaktantů, nazýváme takové reakce redoxní reakce. Atomy jednoho z činidel (oxidační činidlo) k sobě přidávají elektrony, to znamená, že jsou „redukovány“ – oxidační činidlo snižuje svůj vlastní oxidační stav. V tomto případě se atomy jiného prvku (redukčního činidla) vzdávají elektronů, to znamená, že „oxidují“ – redukční činidlo zvyšuje svůj vlastní oxidační stav.
Kladná je katoda, záporná anoda, mezi nimi je elektrolyt.
Základem chemického zdroje proudu jsou tedy dvě činidla – elektrody. Kladně nabitá katoda obsahující oxidační činidlo; bude k sobě přitahovat elektrony a jeho látka se začne redukovat. A záporně nabitá anoda obsahující redukční činidlo. Vzdá se elektronů a jeho látka začne oxidovat. Tyto dvě elektrody jsou ponořeny do elektrolytu.
EMF páru elektrod
Dvojici elektrod odpovídá volná energie redoxní reakce, takže mezi nimi vzniká potenciálový rozdíl – elektromotorická síla zdroje proudu.
Pokud nyní propojíme katodu a anodu s vodičem zvenčí, tedy uzavřeme vnější obvod zdroje proudu, pak ve vodiči poteče proud, začnou prostorově oddělené procesy: na záporné anodě bude redukční činidlo začnou oxidovat, jeho volné elektrony se přesunou po vnější části obvodu ke kladné katodě, (pak dojde k proudu), kde se budou podílet na redukční reakci oxidačního činidla.
Velikost EMF lze zjistit nalezením rozdílu v elektrochemických potenciálech materiálů elektrod. Zde je tabulka standardních elektrodových potenciálů. Vezmeme-li například zinek jako zápornou elektrodu a měď jako kladnou elektrodu, pak rozdíl potenciálů bude 0,337 – ( – 0,763) = 1,1 (voltů).
V praxi se ve vnějším obvodu budou nabité částice – elektrony – pohybovat od anody (-) ke katodě (+), od záporného pólu zdroje proudu – k jeho kladnému pólu, který odpovídá směru odebraného proudu jako pozitivní, od kladného pólu – k zápornému, opačnému ke skutečnému jednomu směru pohybu elektronů. V elektrolytu budou záporné ionty přitahovány k anodě a kladné ionty ke katodě.
Galvanické články tedy nelze dobíjet, jsou jednorázové, protože jejich chemická reakce, při které vzniká zátěžový proud, je nevratná. Ale baterie jsou dobíjecí, protože chemická reakce v nich je vratná.
Při procesu nabíjení z nabíječky se elektrony pohybují v opačném směru, na elektrodách v elektrolytu dochází ke zpětným reakcím a produkty reakce přecházejí do elektrolytu, při nabíjení baterie se zvyšuje hustota elektrolytu. Baterie lze sestavit ze standardních bateriových nebo galvanických článků.
Olověná baterie
V olověných bateriích je anodou kovové olovo, katodou je oxid olovnatý a elektrolytem je roztok kyseliny sírové. Během procesu vybíjení do zátěže dochází k oxidaci olova na anodě olověného akumulátoru a oxid olovnatý je redukován na katodě.
Oxidované olovo, které má kladný náboj, přitahuje záporný iont kyseliny sírové. Redukovaný oxid olovnatý, který má záporný náboj, přitahuje kladné ionty zbytku kyseliny.
Při úplném vybití baterie jsou obě elektrody potaženy síranem olovnatým, hustota elektrolytu je nízká.
Při nabíjení baterie dochází k opačnému procesu – síran olovnatý se rozkládá na ionty, které přecházejí do vody, kde vzniká kyselina sírová, a zvyšuje se hustota elektrolytu.
Standardní rozdíl potenciálů jednoho článku olověného akumulátoru je 2,1 V.
Nikl-kadmiová baterie
V nikl-kadmiové baterii je katodou metahydroxid niklu, anodou je kadmium a elektrolytem je hydroxid draselný. Během procesu vybíjení do zátěže je kadmium oxidováno na anodě (vzdává se elektron) a metahydroxid niklu je redukován na katodě (přijímá elektron).
Oxidované kadmium přitahuje hydroxidový iont z elektrolytu a redukovaný metahydroxid niklu interaguje s vodíkem z molekuly vody. V důsledku toho se na katodě tvoří hydroxid niklu a na anodě hydroxid kademnatý.
Reakce je reverzibilní. Standardní potenciálový rozdíl článku nikl-kadmiové baterie je 1,2 V.
Alkalická baterie
Běžná alkalická baterie (mangan-zinkový galvanický článek) obsahuje zinkový prášek jako anodu, oxid manganu jako katodu a hydroxid draselný jako elektrolyt.
Při výboji do zátěže se zinek na anodě oxiduje (vzdává elektron), naváže se na něj záporný hydroxidový iont, vzniká hydroxid zinečnatý, který se rozkládá na oxid zinečnatý a vodu. Na katodě získává oxid manganičitý elektron a je redukován na oxid manganatý.
Standardní napětí takové baterie je 1,5 V. Reakce je nevratná.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
Galvanické články a baterie se používají k napájení přenosných elektrických a rádiových zařízení.
Galvanické články jsou jednorázové zdroje, akumulátory – opakovaně použitelné zdroje.
Nejjednodušší galvanický článek
Nejjednodušší prvek lze vyrobit ze dvou pásků: mědi a zinku, ponořených do vody mírně okyselené kyselinou sírovou. Pokud je zinek dostatečně čistý, aby nezpůsoboval místní reakce, nedojde k žádné znatelné změně, dokud měď a zinek nebudou spojeny drátem.
Pásky však mají navzájem různé potenciály a při jejich propojení drátem se v něm objeví elektrický proud. Jak tato akce pokračuje, zinkový pásek se bude postupně rozpouštět a v blízkosti měděné elektrody se vytvoří bublinky plynu, které se shromažďují na jejím povrchu. Tímto plynem je vodík, vznikající z elektrolytu. Elektrický proud teče z měděného pásku přes drát k pásku zinku a z něj přes elektrolyt zpět do mědi.
Postupně je kyselina sírová elektrolytu nahrazena síranem zinečnatým, vzniklým z rozpuštěné části zinkové elektrody. Díky tomu se sníží napětí prvku. Ještě větší pokles napětí je však způsoben tvorbou bublin plynu na mědi. Obě tyto akce vytvářejí “polarizaci”. Takové prvky nemají téměř žádný praktický význam.
Důležité parametry galvanických článků
Velikost napětí poskytovaného galvanickými články závisí pouze na jejich typu a provedení, tedy na materiálu elektrod a chemickém složení elektrolytu, nezávisí však na tvaru a velikosti prvků.
Množství proudu, které může galvanický článek produkovat, je omezeno jeho vnitřním odporem.
Velmi důležitou vlastností galvanického článku je elektrická kapacita. Elektrickou kapacitou se rozumí množství elektřiny, které je galvanický nebo bateriový článek schopen dodat po celou dobu svého provozu, tedy než dojde ke konečnému vybití.
Kapacita daná prvkem je určena vynásobením síly vybíjecího proudu, vyjádřené v ampérech, dobou v hodinách, po kterou byl prvek vybíjen do začátku úplného vybití. Proto je elektrická kapacita vždy vyjádřena v ampérhodinách (A x h).
Na základě kapacity prvku můžete také předem určit, kolik hodin bude pracovat, než se zcela vybije. K tomu je třeba vydělit kapacitu vybíjecím proudem přípustným pro tento prvek.
Elektrická kapacita však není přísně konstantní hodnota. Pohybuje se v poměrně širokých mezích v závislosti na provozních podmínkách (režimu) prvku a konečném vybíjecím napětí.
Pokud je prvek vybíjen maximálním proudem a bez přerušení, bude vydávat výrazně menší kapacitu. Naopak, když je stejný prvek vybíjen nižším proudem a s častými a relativně dlouhými přestávkami, prvek se vzdá své plné kapacity.
Pokud jde o vliv konečného vybíjecího napětí na kapacitu prvku, je třeba mít na paměti, že při vybíjení galvanického článku nezůstává jeho provozní napětí na stejné úrovni, ale postupně klesá.
Běžné typy galvanických článků
Nejběžnějšími galvanickými články jsou systémy mangan-zinek, mangan-vzduch, zinek-vzduch a rtuť-zinek se solí a alkalickými elektrolyty. Suché manganovo-zinkové články se solným elektrolytem mají počáteční napětí 1,4 až 1,55 V, doba provozu při okolní teplotě od -20 do -60 o C od 7 hodin do 340 hodin.
Suché mangan-zinkové a zinko-vzduchové články s alkalickým elektrolytem mají napětí od 0,75 do 0,9 V a dobu provozu od 6 hodin do 45 hodin.
Suché rtuťovo-zinkové články mají počáteční napětí 1,22 až 1,25 V a dobu provozu 24 hodin až 55 hodin.
Nejdelší garantovanou životnost mají suché rtuťovo-zinkové prvky, dosahující 30 měsíců.
Baterie jsou sekundární galvanické články. Na rozdíl od galvanických článků nedochází v baterii ihned po sestavení k žádným chemickým procesům.
Aby v baterii mohly začít chemické reakce spojené s pohybem elektrických nábojů, musí se odpovídajícím způsobem změnit chemické složení jejích elektrod (a částečně i elektrolytu). K této změně chemického složení elektrod dochází vlivem elektrického proudu procházejícího baterií.
Proto, aby baterie produkovala elektrický proud, musí být nejprve „nabita“ stejnosměrným elektrickým proudem z nějakého vnějšího zdroje proudu.
Baterie se od běžných galvanických článků také příznivě liší tím, že po vybití je lze znovu nabíjet. Při dobré péči a za normálních provozních podmínek vydrží baterie až několik tisíc nabití a vybití. Bateriové zařízení
V současnosti se v praxi nejčastěji používají olověné a kadmium-niklové baterie. V prvním případě je elektrolytem roztok kyseliny sírové a v druhém případě roztok alkálií ve vodě. Olověné baterie se také nazývají kyselé baterie a nikl-kadmiové baterie se nazývají alkalické baterie.
Princip činnosti baterií je založen na polarizaci elektrod při elektrolýze. Nejjednodušší kyselinová baterie je navržena následovně: jedná se o dvě olověné desky ponořené do elektrolytu. V důsledku chemické substituční reakce jsou desky pokryty mírným povlakem síranu olovnatého PbSO4, jak vyplývá ze vzorce Pb + H2SO4 = PbSO4 + N2.
Zařízení na kyselé baterie
Tento stav desek odpovídá vybité baterii. Pokud je nyní baterie nabitá, tedy připojená ke generátoru stejnosměrného proudu, pak v ní vlivem elektrolýzy začne polarizace desek. V důsledku nabíjení baterie se její desky polarizují, tedy mění hmotu svého povrchu, a z homogenního (PbSO4) přechází v heterogenní (Pb a Pb O 2 ).
Baterie se stává zdrojem proudu a její kladná elektroda je deska potažená oxidem olovnatým a záporná elektroda je čistá olověná deska.
Ke konci nabíjení se koncentrace elektrolytu zvyšuje v důsledku výskytu dalších molekul kyseliny sírové v něm.
To je jedna z vlastností olověného akumulátoru: jeho elektrolyt nezůstává neutrální a sám se účastní chemických reakcí při provozu akumulátoru.
Ke konci vybíjení jsou obě desky baterie opět pokryty síranem olovnatým, v důsledku čehož baterie přestává být zdrojem proudu. Baterie není nikdy uvedena do tohoto stavu. V důsledku tvorby síranu olovnatého na deskách klesá koncentrace elektrolytu na konci výboje. Pokud baterii nabijete, můžete znovu způsobit polarizaci, abyste ji mohli znovu vybít atd.
Jak nabít baterii
Existuje několik způsobů nabíjení baterií. Nejjednodušší je normální nabíjení baterie, které probíhá následovně. Zpočátku, po dobu 5–6 hodin, se nabíjení provádí dvojnásobným normálním proudem, dokud napětí na každé bateriové bance nedosáhne 2,4 V.
Normální nabíjecí proud je určen vzorcem I nabíjení = Q/16
kde Q je jmenovitá kapacita baterie, Ah.
Poté se nabíjecí proud sníží na normální hodnotu a nabíjení a tok pokračuje po dobu 15–18 hodin, dokud se neobjeví známky konce nabíjení.
Kadmiumniklové neboli alkalické baterie se objevily mnohem později než olověné baterie a ve srovnání s nimi jsou pokročilejšími chemickými zdroji proudu. Hlavní výhodou alkalických baterií oproti olověným bateriím je chemická neutralita jejich elektrolytu vzhledem k aktivní hmotě desek. Díky tomu je samovybíjení alkalických baterií mnohem menší než u olověných baterií. Princip činnosti alkalických baterií je také založen na polarizaci elektrod při elektrolýze.
Pro napájení rádiových zařízení se vyrábí uzavřené kadmiumniklové baterie, které jsou provozuschopné při teplotách od -30 do +50 o C a vydrží 400 – 600 cyklů nabití-vybití. Tyto baterie jsou vyrobeny ve formě kompaktních hranolů a disků o hmotnosti několika gramů až kilogramů.
Vyrábí nikl-vodíkové baterie pro napájení autonomních zařízení. Měrná energie nikl-vodíkové baterie je 50 – 60 Wh kg -1.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
