Galvanický článek

Typy chemických článků

• Jednoduchá buňka
• Suchý článek
• Mokrá buňka
• Palivový článek
• Solární článek
• Elektrický článek

Elektrochemické články

Mimořádně důležitá třída oxidačních a redukčních reakcí se používá k zajištění užitečné elektrické energie v bateriích. Jednoduchý elektrochemický článek lze vyrobit z kovů mědi a zinku s roztoky jejich síranů. V průběhu reakce mohou být elektrony přenášeny ze zinku na měď elektricky vodivou cestou jako užitečný elektrický proud.

Elektrochemický článek lze vytvořit umístěním kovových elektrod do elektrolytu, kde chemická reakce využívá nebo vytváří elektrický proud. Elektrochemické články, které vytvářejí elektrický proud, se nazývají voltaické nebo galvanické články a běžné baterie se skládají z jednoho nebo více takových článků. V jiných elektrochemických článcích se k pohonu chemické reakce, která by neprobíhala samovolně, používá elektrický proud dodávaný zvenčí. Takové články se nazývají elektrolytické články.

Voltaické články

Elektrochemický článek, který způsobuje průtok vnějšího elektrického proudu, lze vytvořit pomocí dvou různých kovů, protože kovy se liší svou tendencí ztrácet elektrony. Zinek ztrácí elektrony snadněji než měď, takže umístění kovového zinku a mědi do roztoků jejich solí může způsobit tok elektronů vnějším vodičem, který vede od zinku k mědi. Když atom zinku poskytne elektrony, stane se kladným iontem a přejde do vodného roztoku, čímž se sníží hmotnost zinkové elektrody. Na straně mědi umožňují dva přijaté elektrony přeměnit měďnatý iont z roztoku na nenabitý atom mědi, který se usazuje na měděné elektrodě, čímž se zvyšuje její hmotnost. Obě reakce se obvykle zapisují

Zn(s) --> Zn²⁺(aq) + 2e

Cu²⁺(aq) + 2e ^---> Cu(s)

Písmena v závorkách jen připomínají, že zinek přechází z pevné látky (s) do vodného roztoku (aq) a naopak měď. Pro elektrochemii je typické označovat tyto dva procesy jako "poloreakce", které probíhají na obou elektrodách.

Aby mohl voltážní článek nadále vyrábět vnější elektrický proud, musí docházet k pohybu síranových iontů v roztoku zprava doleva, aby se vyrovnal tok elektronů ve vnějším obvodu. Samotným kovovým iontům musí být zabráněno v pohybu mezi elektrodami, takže nějaký druh porézní membrány nebo jiný mechanismus musí zajistit selektivní pohyb záporných iontů v elektrolytu zprava doleva.

K tomu, aby se elektrony přesunuly ze zinkové na měděnou elektrodu, je zapotřebí energie a množství energie, které je k dispozici na jednotku náboje voltaického článku, se nazývá elektromotorická síla (emf) článku. Energie na jednotku náboje se vyjadřuje ve voltech (1 volt = 1 joule/coulomb).

Je zřejmé, že k získání energie z buňky je třeba získat více energie uvolněné oxidací zinku, než je třeba k redukci mědi. Článek může z tohoto procesu získat konečné množství energie, přičemž proces je omezen množstvím dostupného materiálu buď v elektrolytu, nebo v kovových elektrodách. Pokud by například na straně mědi byl jeden mol síranových iontů SO₄^2-, pak je proces omezen na přenos dvou molů elektronů vnějším obvodem. Množství elektrického náboje obsaženého v jednom molu elektronů se nazývá Faradayova konstanta a rovná se Avogadrovo číslo krát náboj elektronů:

Faradayova konstanta = F = _ANe = 6,022 x 10²³ x 1,602 x 10^-19 = 96,485 coulombů/mole

Energetický výtěžek voltového článku je dán součinem napětí článku a počtu molů přenesených elektronů krát Faradayova konstanta.

Výstupní elektrická energie = nFE

Emf článku E_cell lze předpovědět ze standardních elektrodových potenciálů pro oba kovy. Pro článek zinek/měď za standardních podmínek je vypočtený potenciál článku 1,1 V.

Jednoduchá buňka

Jednoduchý článek má obvykle destičky z mědi (Cu) a zinku (Zn) ve zředěné kyselině sírové. Zinek se rozpouští a na měděné destičce se objevují bublinky vodíku. Tyto bublinky vodíku brání průchodu proudu, takže jednoduchý článek lze používat jen krátkou dobu. Pro zajištění stálého proudu je zapotřebí depolarizátor (oxidační činidlo), který vodík oxiduje. V Danielově článku je depolarizátorem síran měďnatý, který vyměňuje vodík za měď. V Leclancheově baterii je depolarizátorem oxid manganičitý, který oxiduje vodík na vodu.

Daniel cell

Anglický chemik John Frederick Daniell vyvinul v roce 1836 voltampérový článek, který využíval zinek a měď a roztoky jejich iontů.

Klíč

• Zinková tyč = záporná svorka
• ₂HSO₄ = elektrolyt zředěné kyseliny sírové
• Porézní nádoba odděluje obě kapaliny.
• CuSO₄ = depolarizátor síranu měďnatého
• Měděný hrnec = kladný pól