ELEKTROCHEMICKÉ ČLÁNKY

Galvaniho "živočišná" elektřina

Italský přírodovědec a lékař Luigi Galvani (1737 - 1798) při pitvání žab zpozoroval (vlastně první si toho všimla jeho žena), že sebou žabí stehýnka položená na plechu při dotyku operačního nože škubají. V letech 1780 až 1790 provedl Galvani mnoho pokusů s žabími stehýnky. Mylně se domníval, že cukání žabích stehýnek způsobuje "živočišná" elektřina.
Na pokusy Luigi Galvaniho navázal jiný italský fyzik Alessandro Volta (1745 -1827). Zjistil, že jevy, které pozoroval Galvani, způsobuje dotyk dvou různých kovů oddělených vlhkou látkou. Svůj objev zveřejnil roku 1800 v Londýně.
Alessandro Volta sestrojil první elektrický článek a na Galvaniho počest nazval vyráběný proud proudem galvanickým. Odtud pochází i název pro dnešní galvanické články.

Znali galvanické články skutečně již před počátkem našeho letopočtu ?

Ovšem první elektrický článek možná fungoval o mnoho století dříve. V jednom bagdádském muzeu je uchováván elektrický článek z období parthské říše (250 př. n.1. 224 n.1.). V nádobě z pálené hlíny asi 18 cm vysoké je umístěn 10 cm vysoký válec z měděného plechu. Železná tyčinka provlečená víčkem válce je ode dna i od víčka měděného válce izolována asfaltem. Někteří vědci se domnívají, že jako elektrolyt pravděpodobně sloužila vymačkaná šťáva z hroznů. Tento zdroj stejnosměrného proudu se mohl používat ke galvanickému pozlacování různých měděných nebo stříbrných nádob, šperků a jiných předmětů.

Elektrolyty

Elektrolyt je kapalina, ve které dochází ke štěpení molekul na ionty záporné anionty a kladné kationty. K rozkladu elektrolytu dochází účinkem stejnosměrného proudu. Elektrické pole mezi elektrodami připojenými ke zdroji napětí způsobí, že se anionty pohybují k anodě (kladná elektroda) a kationty přitahuje katoda (záporná elektroda). Elektrickou vodivost elektrolytu způsobuje uspořádaný pohyb iontů. V elektrolytu se vytváří rovnováha kladných a záporných iontů a elektrolyt navenek působí jako elektricky neutrální.
Po dopadu na zápornou elektrodu si z ní kationty doplní chybějící elektrony a vznikne neutrální atom. Anionty při dopadu na anodu svůj náboj odevzdávají. Neutrální částice uvolněné na elektrodách neustále reagují mezi sebou, s elektrolytem nebo i s elektrodami. Elektrolyt má tzv. iontovou vodivost, která umožňuje, že v elektrickém poli mezi elektrodami v elektrolytu prochází proud.

Princip galvanického článku.
Cu - měděná elektroda, Zn - zinková elektroda,
I - proud, e - směr elektronů

Galvanické články

Galvanické články využívají chemickou reakci, při níž se uvolňuje energie ve formě elektrického pole. Při chemické reakci má molekula nově vzniklé sloučeniny menší energii než součet energií částí, z nichž vznikla.
Galvanických článků existuje mnoho druhů. Některé se dají opakovaně nabíjet, protože elektrochemické děje, které v nich probíhají, jsou vratné.
Původní články byly mokré - s tekutým elektrolytem. Dnes se nejvíce používají suché články, jež mají mezi elektrodami pórovitou hmotu nasycenou elektrolytem. Montáž suchých článků je velmi jednoduchá. Suché články by se vlastně měly označovat jako vlhké, protože úplně bez vody by elektrolyt nepůsobil.
Nejjednodušší galvanický článek se skládá z elektrolytu a dvou elektrod. Jako elektrolyt se používá kyselina sírová (H2SO4). Kladná elektroda je z mědi (Cu) a záporná ze zinku (Zn). Při zředění kyseliny sírové vodou (H2O) uvolňují molekuly vody pevnou vazbu molekul kyseliny sírové, která se rozštěpí na kladné a záporné ionty. Mezi náboji je ale rovnováha a elektrolyt zůstává elektricky neutrální.
Při ponoření zinkové elektrody do elektrolytu se začne zinek rozpouštět a jeho kationty nabijí elektrolyt kladně. Na elektrodě zůstanou volné elektrony a elektroda se nabije záporně. Měď se v roztoku kyseliny sírové rozpouští méně než zinek. Mezi kladnou a zápornou elektrodou se objeví napětí 1,05 V.
Jestliže na svorky galvanického článku připojíme spotřebič, poruší se rovnovážný stav, elektrony se přes spotřebič odvádějí ze zinkové elektrody na elektrodu měděnou a vodík se vylučuje na kladné elektrodě nebo uniká z elektrolytu. Tím je porušena rovnováha mezi ionty a vzniká síran zinečnatý, který se usazuje v nádobě galvanického článku. Protože tak v roztoku ubývají ionty zinku, dochází k novému rozpouštění zinkové elektrody. Poněvadž vodík, vyloučený na kladné elektrodě, by se opět slučoval a snižovalo by se napětí článku, odstraňuje se tento nepříznivý jev depolarizátorem, kterým se elektroda obalí. Depolarizátor je látka bohatá na kyslík, jenž váže vodík za vzniku vody.

Suchý Leclanchéův článek.
1 - záporná (-) zinková elektroda, 2 - kladná (+) uhlíková elektroda, 3 - zahuštěný elektrolyt, 4 - depolarizátor

Nejpoužívanějšími jsou suché Leclanchéovy články. Kladná elektroda, kterou tvoří uhlíková tyčinka, je umístěna v sáčku s depolarizátorem. Depolarizátor tvoří směs oxidu manganičitého s grafitem a slouží k odstranění účinků vodíku, jenž se vylučuje na uhlíkové elektrodě. Vodík je izolant, a kdyby pokryl anodu, narušil by funkci článku. Zápornou elektrodu tvoří zinková nádoba. Elektrolytem je chlorid amonný zahuštěný pastou, aby se neroztékal.
V Leclanchéově článku probíhá nevratný děj, proto se nedá nabíjet. Výhodou Leclanchéova článku je nízká výrobní cena a jednoduchá konstrukce. Jeho svorkové napětí je 1,5 V.
Galvanické články patří mezi primární články - můžeme z nich elektrický proud odebírat, aniž jsme jim ho předtím "dodali". Jednotlivé druhy jsou založeny na různých elektrochemických systémech. Výkonnější, ale také dražší než Léclanchéovy články jsou alkalické a rtuťové články. Galvanické články mohou mít válcové, ploché i hranaté tvary. Použití galvanických článků je velice široké, například v kapesních svítilnách (monočlánky, tužkové a ploché baterie), rozhlasových přístrojích, elektrických zvoncích, přenosných vysílačích a přijímačích, drobných přístrojích (elektrické hračky, holicí strojky, magnetofony, vrtačky, elektrické hodiny) atd.

Palivové články

Dalším druhem primárních článků jsou perspektivní palivové články. Oxidací ("spalováním") chemických látek se u nich chemická energie mění na energii elektrickou. Obdobně jako u galvanických článků tedy i zde probíhají chemické reakce, ale rozdíl je v tom, že se k jedné elektrodě přivádí palivo (např. vodík) a ke druhé okysličovadlo (např. kyslík). Během provozu lze u palivových článků palivo doplňovat, takže mohou pracovat trvale. Klasický palivový článek je kyslíko-vodíkový článek, který má dvě pórovité platinové elektrody, mezi nimiž je elektrolyt. Napětí článku je asi 1,1 až 1,23 V. Palivové články se používají v elektromobilech.
U primárních článků po doznění chemického pochodu jsou aktivní hmoty znehodnoceny.

Proslulý Voltův sloup. Sloupec stříbrných a zinkových kotoučů proložených vlhkou plstí.

Akumulátory

Má-li molekula nově vzniklé sloučeniny větší energii než její složky, musí se - aby chemická reakce proběhla - do systému nejprve energie dodat. Vznikne chemicky nestabilní sloučenina, jež se za určitých podmínek rozpadá a uvolňuje svou energii. Tímto způsobem se může energie určitou dobu "skladovat" - akumulovat. Tento jev se využívá v akumulátorech.
U akumulátorů rozpadem účinné chemické látky vzniká napětí. Tato chemická látka se vytváří na elektrodách při nabíjení akumulátorů. Nejčastěji se používají olověné, niklkadmiové a oceloniklové akumulátory.
Olověné akumulátory mají obě elektrody z olova. Kladnou elektrodu u nabitého akumulátoru pokrývá vrstva kysličníku olovičitého. Nádoba olověného akumulátoru bývá z tvrzené pryže, plastu nebo ze skla. Elektrolytem je kyselina sírová, která se ředí destilovanou vodou. Kladné elektrody mají tvar mříží a jsou vyplněny pastou nebo jsou žebrované. Nejmodernější akumulátory používají jako kladné elektrody trubkové desky, které mají až pětkrát vyšší životnost.
Okolo kladných elektrod jsou umístěny elektrody záporné, kterých je tedy o jednu více než elektrod kladných. Kladné a záporné elektrody jsou od sebe odděleny izolačními vložkami.
Napětí jednoho olověného akumulačního článku bývá 1,85 až 2,1 V. Jestliže napětí článku klesne pod hodnotu 1,85 V, začíná nevratný pochod vytváření nerozpustného síranu olovnatého, který akumulátor znehodnotí. Aby se tomu zabránilo, je potřeba při poklesu napětí na hodnotu 1,85 V akumulátor ihned nabít. Olověné akumulátory vydrží asi 300 nabíjecích cyklů. Používají se v motorových vozidlech, najdete je prakticky v každém automobilu.
Alkalické akumulátory používají jako elektrolyt hydroxid draselný s přísadou, zředěný destilovanou vodou.
Oceloniklové i niklkadmiové akumulátory jsou alkalické akumulátory. V porovnání s olověnými akumulátory jsou asi čtyřikrát dražší. Jejich elektrolyt mrzne až při -60°C a po rozmrazení je akumulátor opět schopen činnosti. Mají nižší napětí (1,1 až 1,8 V), delší životnost a vyžadují menší nároky na údržbu. Používají se např. v akumulátorových vozících.
Při nabíjení akumulátorů (všech typů) je vždy nutné otevřít jejich zátky, aby se vznikající vodík, který se vzduchem tvoří třaskavou směs, dostal ven.
Speciální stříbrozinkové akumulátory dobře snášejí zkraty a mechanické otřesy a jsou mimořádně lehké. Jsou ovšem drahé, a proto se používají jen v letectví, u závodních automobilů, ve sdělovací technice a v dalších speciálních případech. Stříbrokadmiové akumulátory mají obdobné provedení jako akumulátory stříbrozinkové, ale vyznačují se navíc dlouhou životností.
Akumulátory se používají jako startovací baterie motorových vozidel, u akumulátorových nákladních vozíků, elektromobilů, v telefonních ústřednách, v elektrické trakci, pro nouzová osvětlení, pro přenosné svítilny i ke stálému osvětlování atd. Dají se vyrábět i v malých rozměrech a vzduchotěsně uzavřené. Jejich tvary mohou být válcové, ploché i hranaté. Mají dlouhou životnost a používají se i do přenosných zařízení (hračky, radiopřijímače, fotografické blesky ap.).
Akumulátorové články jsou články sekundární. Při nabíjení proudem z jiného zdroje se aktivují činné hmoty článku tak, že lze později chemicky vyvolat jejich vybíjení, při kterém se získává elektrická energie. Jde o vratný, opakovatelný elektrochemický pochod.