Poločlánky a články

Dnes si nedovedeme přestavit život bez galvanických článků, které slouží jako zdroj elektrické energie v dálkových ovladačích, mobilních telefonech, přenosných počítačích anebo též digitálních fotoaparátech či kamerách. Elektrická energie článků je ukryta v elektrochemickém ději, který v článku probíhá.

1. Poločlánky

Jestliže ponoříme čistý měděný plíšek (Cu⁰) do roztoku měďnaté soli (Cu²⁺), nebudeme pouhým okem pozorovat žádné chemické změny. Přesto k určité změně dochází – mezi plíškem čisté mědi a roztokem její soli vzniká elektrická dvojvrstva, čistá měď začne přijímat kationty měďnaté z roztoku své soli, takže získá kladný náboj, zatímco roztok se nabije záporně. Zcela opačně by se choval plíšek ze zinku (Zn⁰) v roztoku své soli (Zn²⁺). Tentokrát se uvolňují kationty zinečnaté z kovu do roztoku zinečnaté soli. Zinek získá záporný náboj, roztok zinečnaté soli se nabije kladně.

Obr.: Poločlánky

Soustavu vzniklou ponořením kovu do roztoku své soli nazýváme poločlánek.

Pozn.: Kov je tvořený kationty daného prvku uspořádaných v krystalové mřížce, mezi nimiž se téměř volně pohybují valenční elektrony (tento pohyb nazýváme elektronový plyn). Proto se při ponoření například zinku do roztoku jeho soli uvolňují kationty zinečnaté Zn²⁺, nikoliv čistý zinek Zn⁰. Faktor, který rozhoduje, zda bude kov přijímat či uvolňovat své kationty, je standardní redukční potenciál E₀. V případě, že je záporný, bude daný kov uvolňovat své kationty do roztoku. V opačném případě bude kov své kationty z roztoku přijímat.

Standardní redukční potenciály kovů E₀

Li⁺/Li⁰ -3,045 V

K⁺/K⁰ -2,925 V

Ba²⁺/Ba⁰ -2,906 V

Ca²⁺/Ca⁰ -2,284 V

Na⁺/Na⁰ -2,713 V

Mg²⁺/Mg⁰ -2,363 V

Al³⁺/Al⁰ -1,662 V

Zn²⁺/Zn⁰ -0,736 V

Fe²⁺/Fe⁰ -0,440 V

Cd²⁺/Cd⁰ -0,408 V

Tl⁺/Tl⁰ -0,335 V

Co²⁺/Co⁰ -0,271 V

Ni²⁺/Ni⁰ -0,250 V

Sn²⁺/Sn⁰ -0,140 V

Pb²⁺/Pb⁰ -0,126 V

Cu²⁺/Cu⁰ 0,339 V

Cu⁺/Cu⁰ 0,520 V

Hg²⁺/Hg⁰ 0,798 V

Ag⁺/Ag⁰ 0,799 V

Au³⁺/Au⁰ 1,420 V

(nahoru)

2. Měření standardních redukčních potenciálů

Při měření standardních redukčních potenciálů narážíme na problém. Potenciál samotného poločlánku je měření nepřístupný, můžeme měřit pouze potenciál celého článku, tvořeného dvěma poločlánky (viz. dále). Proto je třeba zvolit standardní poločlánek, ke kterému budeme měřené potenciály vztahovat. Dohodou byl stanoven standardní poločlánek tvořený vodíkovou elektrodou, jehož potenciál je roven 0 V. Vodíková elektroda je tvořená trubicí s otvorem, ve které se nalézá platinová tyčinka, pokrytá platinovou černí mající absorpční vlastnosti. Otvorem je elektroda sycena plynným vodíkem. Trubice je ponořena do roztoku kyseliny chlorovodíkové.

Obr.: Vodíková elektroda

(nahoru)

3. Články

Vodíková elektroda je tedy poločlánek H⁺/H₂. Jejím spojením s poločlánkem jiného typu vznikne článek. Článek je soustava vzniklá spojením dvou různých poločlánků. Rozdíl elektrických potenciálů ∆φ (řec. písm. fí) mezi vodíkovou elektrodou a elektrodou jiného typu je tak standardní redukční potenciál E₀ elektrody jiného typu. Například spojením vodíkové elektrody s elektrodou Cu²⁺/Cu⁰ (tj. měď v roztoku měďnaté soli, třeba síranu měďnatém) získáme článek H⁺/H₂ – Cu²⁺/Cu⁰, pro který nám voltmetr změří hodnotu rozdílu elektrických potenciálů mezi elektrodami 0,339 V.

(nahoru)

4. Galvanické články

Jako zdroje elektrického napětí se využívají galvanické články. Jsou pojmenovány po italském lékaři Luigi Galvaniovi, který si povšiml, že při pitvání mrtvých žab se stahují jejich svaly – tento jev označil jako galvanismus. Později bylo objasněno, jakým způsobem ke svalovým kontrakcím dochází.

(nahoru)

5. Voltův sloup

Objev galvanismu inspiroval italského fyzika Alessandra Voltu, jenž následně sestavil první článek, ve kterém sériově zapojil plíšky ze zinku a mědi, které prokládal kůží máčenou v kyselině sírové. Tento článek se nazývá Voltův sloup.

Obr.: Voltův sloup

Hodnotu elektrického napětí, který nám Voltův sloup poskytuje, zjistíme jako součet absolutních hodnot standardních redukčních potenciálů poločlánku Cu²⁺/Cu⁰ a Zn²⁺/Zn⁰, tedy:

Cu²⁺/Cu⁰: E₀ = 0,339 V

Zn²⁺/Zn⁰: E₀ = -0,736 V

U = |E₀ (Cu²⁺/Cu⁰)| + |E₀ (Zn²⁺/Zn⁰)| = 0,339 + 0,736 V = 1,075 V

Voltův sloup poskytoval napětí přibližně 1,1 V.

Hodnotu napětí, které nám článek poskytuje, získáme jako součet absolutních hodnot standardních redukčních potenciálů poločlánků tvořících článek. Z uvedené definice lze snadno odvodit, že dle výše uvedené tabulky by byl teoreticky nejlepším zdrojem elektrického napětí článek Li⁺/Li⁰ – Au³⁺/Au⁰, který by poskytoval napětí až 4,465 V. Laboratorně je možné jakýkoliv článek sestrojit vodivým spojením dvou poločlánků tvořených kovem ponořeným do roztoku své soli.

(nahoru)

6. Daniellův článek

Po vzoru Voltova sloupu byl anglickým chemikem Johnem Fredericem Daniellem sestaven Daniellův článek, tvořený ze zinkové anody ponořené v roztoku síranu zinečnatého a měděné katody ponořené v roztoku síranu měďnatého. Propojení elektrod zaručuje kovový vodič a propojení roztoků síranů obou kovů solný můstek. Solný můstek je skleněná trubice, na koncích opatřená porézními přepážkami, naplněná inertním plynem anebo některou vodivou solí (např. chloridem draselným KCl) zaručující vodivé propojení dvou roztoků v článku.

Obr.: Daniellův článek

(nahoru)

7. Elektrody

Elektroda je kovový vodič, který je vodivě spojen s nekovovou vodivou částí obvodu, v elektrochemii nejčastěji roztokem elektrolytu (sůl kovu). Elektrody dělíme na katody a anody. Katody jsou těmi elektrodami, na kterých probíhá redukce, a anody těmi, na kterých probíhá oxidace. V případě článků (probíhají spontánní děje) má katoda kladný a anoda záporný náboj. Poločlánek mající vyšší hodnotu standardního redukčního potenciálu bude přednostně nabit kladně.

(nahoru)

8. Rozdělení článků

Články se rozdělují na primární a sekundární (akumulátory). V primárních článcích probíhají nevratné chemické reakce, proto jsou po vybití dále nepoužitelné. V sekundárních článcích dochází k reakcím, které jsou rovnovážné (vratné), po vybití je článek možné dobít připojíme-li ho k vnějšímu zdroji napětí.

(nahoru)

9. Leclancheův článek

Běžná tužková baterie, Leclancheův (suchý) článek, je tvořená grafitovou katodou ponořenou do pasty ze směsi chloridu amonného NH₄Cl (salmiaku) a oxidu manganičitého MnO₂ (burelu) ucelené pomocí škrobu. Celá tato směs je obalena zinkovým plechem, který zastává funkci anody. Mezi pastou a zinkovým plechem se nachází porézní (pórovitý) papír oddělující tyto vrstvy. Tento článek se řadí mezi primární články, neboť ho nelze zpětně nabít. Leclancheův článek se využívá v zařízeních s nízkou spotřebou elektrické energie (např. dálkových ovladačích či kapesních svítilnách).

V Leclancheově článku probíhá tato chemická reakce:

Zn²⁺ + 2 NH₃ → Zn(NH₃)₄²⁺

kation tetraamminzinečnatý (-)

Anoda: Zn⁰ – 2e^- → Zn²⁺ (+)

Katoda: 2 NH₄⁺ + 2e^- → 2 NH₃ + H₂

Leclancheův suchý článek je zdrojem elektrického napětí 1,5 V. Můžeme se též setkat s plochými bateriemi tvořenými třemi sériově zapojenými suchými články. Jejich elektromotorické napětí je pak 4,5 V.

(nahoru)

10. Alkalické baterie

Jiným typem primárního článku jsou alkalické baterie. Vyznačují se vysokou trvanlivostí.Většinou se vyrábí jako mikrotužkové baterie. Oproti suchým článkům nemohou alkalické baterie ,,vytéci‘‘, neboť mají obal z oceli. Přívlastek ,,alkalické‘‘ napovídá, že obsahují hydroxid alkalického kovu (LiOH, NaOH, KOH…) jako elektrolyt. Používají se v digitálních fotoaparátech nebo vysílačkách.

(nahoru)

11. Knoflíkové články

V hodinkách, laserových ukazovátkách či malých svítilnách se využívají baterie velmi malých rozměrů, nazývající se knoflíkové články. Jejich nejznámějším typem jsou rtuťnaté baterie.

(nahoru)

12. Sekundární článek

Nejznámějším typem sekundárního článku je olověný akumulátor, který se využívá v automobilovém průmyslu jako autobaterie. Principem je symproporcionační reakce dvou různých oxidačních stavů olova (baterie obsahuje dva typy olověných destiček, jedna je z čistého olova, druhá je pokryta vrstvou oxidu olovičitého PbO₂). Tyto destičky, mající funkci elektrod, jsou ponořené do roztoku kyseliny sírové H₂SO₄ s kterou reagují za vzniku vody a síranu olovnatého PbSO₄ dle rovnice:

Pb + PbO₂ + 2 H₂SO₄ → 2 PbSO₄ + 2 H₂O

(-) Anoda: Pb⁰ – 2e^- → Pb²⁺

(+) Katoda: Pb⁴⁺ + 2e^- → Pb²⁺

Jakmile se vytvoří tolik síranu olovnatého, že reakce nemůže dále probíhat (vrstva síranu zaplní veškerý prostor mezi olověnými destičkami), je akumulátor vybitý. Pro jeho opětovné nabití ho musíme připojit k jinému zdroji napětí, aby došlo k přepólování elektrod, přičemž se začne síran olovnatý a voda zpětně rozkládat:

2 PbSO₄ + 2 H₂O → Pb + PbO₂ + 2 H₂SO₄

(+) Anoda: Pb²⁺ – 2e^- → Pb⁴⁺

(-) Katoda: Pb²⁺ + 2e^- → Pb⁴⁺

Olověný akumulátor se též využívá jako alternativní zdroj energie (ve firmách, nemocnicích…) při neočekávaném přerušení dodávky elektrického proudu.

Akumulátory se využívají také jako zdroje energie v přenosných počítačích, digitálních kamerách, mobilních telefonech, přenosných DVD přehrávačích a mnoha dalších obdobných zařízení.

(nahoru)