Ogniwo galwaniczne
Ogniwo chemiczne przekształca energię chemiczną w energię elektryczną. Większość baterii to ogniwa chemiczne. Wewnątrz baterii zachodzi reakcja chemiczna, która powoduje przepływ prądu elektrycznego.
Istnieją dwa główne rodzaje baterii - te, które można ładować i te, które nie.
Bateria, która nie nadaje się do ponownego naładowania, będzie dawać prąd do czasu, aż zawarte w niej substancje chemiczne zostaną zużyte. Wtedy nie jest już użyteczna. Można to słusznie nazwać "użyj i wyrzuć".
Bateria wielokrotnego ładowania może być ponownie naładowana poprzez przepuszczenie prądu elektrycznego wstecz przez baterię; może być ona następnie użyta do produkcji większej ilości energii elektrycznej. To Gaston Plante, francuski naukowiec, wynalazł te baterie w 1859 roku.
Baterie występują w wielu kształtach i rozmiarach, od bardzo małych używanych w zabawkach i aparatach fotograficznych, do tych używanych w samochodach, a nawet większych. Łodzie podwodne wymagają bardzo dużych akumulatorów.
Rodzaje ogniw chemicznych
- Prosta komórka
- Komórka sucha
- Mokra cela
- Ogniwo paliwowe
- Ogniwo słoneczne
- Ogniwo elektryczne
Ogniwa elektrochemiczne
Niezwykle ważna klasa reakcji utleniania i redukcji jest wykorzystywana do dostarczania użytecznej energii elektrycznej w bateriach. Proste ogniwo elektrochemiczne może być wykonane z metali miedzi i cynku oraz roztworów ich siarczanów. W procesie reakcji elektrony mogą być przenoszone z cynku na miedź poprzez przewodzącą ścieżkę w postaci użytecznego prądu elektrycznego.
Ogniwo elektrochemiczne można utworzyć poprzez umieszczenie metalowych elektrod w elektrolicie, w którym zachodzi reakcja chemiczna wykorzystująca lub generująca prąd elektryczny. Ogniwa elektrochemiczne, które generują prąd elektryczny nazywane są ogniwami woltaicznymi lub ogniwami galwanicznymi, a powszechnie stosowane baterie składają się z jednego lub więcej takich ogniw. W innych ogniwach elektrochemicznych prąd elektryczny dostarczany z zewnątrz jest wykorzystywany do wywołania reakcji chemicznej, która nie zachodziłaby spontanicznie. Takie ogniwa nazywane są ogniwami elektrolitycznymi.
Ogniwa woltaiczne
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- |
|
| 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.
Komórka prosta
Proste ogniwo składa się zazwyczaj z płytek miedzi (Cu) i cynku (Zn) w rozcieńczonym kwasie siarkowym. Cynk rozpuszcza się, a na płytce miedzianej pojawiają się pęcherzyki wodoru. Te pęcherzyki wodoru przeszkadzają w przepływie prądu, więc takie proste ogniwo może być używane tylko przez krótki czas. Aby zapewnić stały prąd, depolaryzator (utleniacz) jest potrzebny do utleniania wodoru. W ogniwie Daniela, depolaryzatorem jest siarczan miedzi, który zamienia wodór na miedź. W baterii Leclanche'a, depolaryzatorem jest dwutlenekmanganu, który utlenia wodór do wody.
Prosta komórka
Komórka Daniela
Angielski chemik John Frederick Daniell opracował w 1836 r. ogniwo woltaiczne, w którym wykorzystano cynk i miedź oraz roztwory ich jonów.
Kluczowy
- Pręt cynkowy = zacisk ujemny
- H2SO4 = elektrolit rozcieńczonego kwasu siarkowego
- Porowaty garnek oddziela oba płyny
- CuSO4 = depolaryzator siarczanu miedzi
- Garnek miedziany = zacisk dodatni
Schemat komórki Daniela
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest ogniwo chemiczne i do czego służy?
O: Ogniwo chemiczne to urządzenie, które przekształca energię chemiczną w energię elektryczną. Jego zadaniem jest wytwarzanie prądu elektrycznego w wyniku reakcji chemicznej.
P: Czym jest większość baterii?
O: Większość baterii to ogniwa chemiczne.
P: Co dzieje się wewnątrz baterii, co powoduje przepływ prądu elektrycznego?
O: Wewnątrz baterii zachodzi reakcja chemiczna, która powoduje przepływ prądu elektrycznego.
P: Ile jest rodzajów baterii i jakie są ich rodzaje?
O: Istnieją dwa główne rodzaje baterii - te, które można ładować i te, które nie można ładować.
P: Co się dzieje, gdy zużyje się bateria nieładowalna?
O: Bateria nieładowalna będzie dawała prąd do czasu, aż zawarte w niej substancje chemiczne zostaną zużyte. Wtedy nie jest już przydatna i można ją wyrzucić.
P: Kto i kiedy wynalazł baterie wielokrotnego ładowania?
O: Baterie wielokrotnego ładowania zostały wynalezione przez Gastona Plante, francuskiego naukowca, w 1859 roku.
P: Czy baterie mogą mieć różne rozmiary i jaki jest przykład urządzenia, które wymaga dużej baterii?
O: Tak, baterie mogą mieć wiele kształtów i rozmiarów. Przykładem urządzenia, które wymaga dużej baterii jest łódź podwodna.
