Galvanické články a akumulátory

Na sklonku leta roku 1786 pitval taliansky lekár Luigi Galvani žabu. Neviem síce, akému cieľu mala táto zábavka pôvodne slúžiť, ale Galvani pri nej prišiel na jednu veľmi zaujímavú vec. Pitvaná žaba bola položená na oceľovej doske. Keď sa medeným drôtikom zapichnutým do jej miechy dotkol oceľovej dosky, žabie stehienka "ožili" a začali sa zmršťovať. Samotný Galvani si tento úkaz vysvetľoval ako tzv. zvieraciu elektrinu, čo však nebolo správne vysvetlenie. Žaba žiadnu elektrinu nevyrábala. Prvý galvanický článok zostavil ruku 1800 A. Volta.

Galvanické články môžeme rozdeliť na:
a) primárne články: premieňajú chemickú energiu na elektrickú
b) sekundárne články: dajú sa nabíjať a vybíjať a znovu nabíjať, teda pracujú obrátene - akumulátory
c) palivové články: dodávajú elektrický výkon tak dlho, pokiaľ je im privádzané palivo.

Akumulátory
Akumulátor je elektrochemický zásobník el. energie, ktorý je možné opakovane nabíjať. Pri nabíjaní akumulátoru cez jeho elektródy sa elektrická energia mení na chemickou, pri vybíjaní sa opäť uvoľňuje elektrická energia. Akumulátory existujú iba pre jednosmerný prúd. Poskytujú prúd nezávisle na elektrické sieti a umožňujú vyrovnávanie prúdových špičiek. Stav nabitia akumulátoru sa kontroluje stanovením hustoty elektrolytu. Sériovým zapojením niekoľkých článkov za sebou do batérie sa znásobuje napätie, paralelné zapojenie zvyšuje kapacitu. Doposiaľ najpoužívanejší je olovený akumulátor, vynájdený v roku 1859 Francúzom Gastonom Planté. Jeho základom sú dosky zhotovené z inertného nosiča, ktorý je upravený do tvaru mriežky, aby mal čo najväčší 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 ďalšie prímesi. Pokiaľ k elektródam pripojíme zdroj jednosmerného elektrického prúdu, na katóde sa bude vylučovať tmavošedé olovo a na anóde sa bude vytvárať vrstvička červenohnedého oxidu olovičitého. Týmto spôsobom vznikne sústava, ktorá sa dá po odpojení zdroja jednosmerného elektrického prúdu využiť ako galvanický článok. Galvanické články
Podľa L. Galvaniho pomenované zariadenie na priamy prevod chemickej energie na elektrickou. Skladá sa z dvoch rozdielnych, prevažne kovových elektród, ktoré sú ponorené do spoločného elektrolytu, resp. do dvoch elektrolytov oddelených pórovitou prepážkou, bez toho aby sa vzájomne dotýkali.

Vo vonkajšom vodiči, ktorý spája elektródy, vzniká elektrický prúd. Pre vznikajúce napätie na elektródach, ktoré vyvolá el. prúd, je rozhodujúce postavenie dotyčných látok v elektrochemickom napäťovom rade. Prvý galvanický článok zostrojil r. 1800 N. Volta. Článok, 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 tyčinka, 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 článok
Palivový článok je vlastne galvanický článok na premenu chemickej energie plynné látky (vodíka) na energiu elektrickú. K premene dochádza pri katalytické reakcii s oxidovadlom na elektródach. Palivové články sa vyznačujú vysokou účinnosťou premeny energie (85%) a ekologickými výhodami, jediným odpadovým produktom je voda. Najznámejším palivovým článkom je článok kyslíkovodíkový. Na to, aby sme pochopili fungovanie galvanických článkov a akumulátorov si musíme vysvetliť elektrickú vodivosť kvapaliny a jej praktické využitie. V kvapalinách sprostredkujú elektrický prúd voľné pohyblivé katióny a anióny. Vodivé roztoky nazývame elektrolyty. Vznikajú rozpustením iónovej zlúčeniny v nejakom rozpúšťadle. Elektrolyty sú vodné roztoky mnohých solí ( NaCl, KCl), kyselín (H2SO4 , HNO3 ) a zásad (KOH, NaOH). Ióny spolu s molekulami rozpúšťadla 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 vodivosť). Katióny sa začnú pohybovať 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. Podľa dohody je smer prúdu určený smerom pohybu kladných iónov. Usporiadaný pohyb iónov v elektrolyte končí na elektródach, kde ióny odvádzajú náboje a vylučujú sa na povrchu elektród ako atómy, alebo molekuly, alebo chemicky reagujú s materiálom elektródy, či elektrolytom. Dej, pri ktorom priechodom el. prúdu elektrolytom dochádza k látkovým zmenám nazývaným elektrolýza. 1. Faradayov zákon
Pri elektrolýze sa na katóde vždy vylučuje 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 vylúčených 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 článkoch - akumulátoroch. Príkladom je olovený akumulátor. U nabitého akumulátora sú obe elektródy tvorené PbSO4. Vzniknutý galvanický článok má napätie asi 2,1 V (volta). Pri vybíjaní vzniká na oboch elektródach opäť PbSO4. Akumulátor sa teda dá mnohokrát nabiť. Po častom nabíjaní sa akumulátor znehodnocuje, až nebude použiteľný. Využitie v praxi
Do misky s roztokom síranu zinočnatého vložíme očistený zinkový plech. Do druhej misky s roztokom síranu meďnatého vložíme očistený medený plech. Obidva roztoky vodivo spojíme drôtom. V tomto prípade vzniká napätie 1.1 V. Oba kovy spojíme do elektrického obvodu, kde spotrebičom je žiarovka, napr. 2,5 V. Žiarovka zapojená do elektrického obvodu sa rozsvieti. Pri odoberaní elektrického prúdu z tohto článku prebiehajú tieto reakcie:

a) Kovový zinok sa oxiduje (uvoľňuje prúd elektrónom) a vznikajú zinočnaté katióny


b) Meďnaté katióny sa redukujú (prijímajú elektróny) a vzniká meď.