Galvanski članci

Elektroliti i neelektroliti

Elektroliti su otopine ili taljevine koje sadrže slobodno pokretljive ione te imaju sposobnost provođenja električne struje. Tako na primjer, natrijev klorid u čvrstome stanju ne provodi struju, ali talina i otopina natrijeva klorida ju provode.

Prema jačini sposobnosti da provode električnu struju, razlikujemo jake i slabe elektrolite.

Galvanski članci

Galvanski članak se sastoji od dva različita polučlanka međusobno povezana elektrolitnim mostom te vodičima. Općenito, metal (elektroda) uronjen u otopinu vlastitih iona čini odgovarajući polučlanak.

U galvanskom članku kemijska se energija spontano pretvara u električnu energiju.

Elektroda na kojoj se zbiva proces oksidacije zove se anoda te je ona negativni (-) pol članka. Elektroda na kojoj se zbiva proces redukcije zove se katoda te je ona pozitivni (+) pol članka. Elektrode moraju biti različitoga elektrodnoga potencijala.

Dogovoreno je da elektroni, nastali u galvanskome članku, putuju od anode do katode.

Najpoznatiji galvanski članak napravljen je 1835. godine. Naziva se Daniellov članak.

Daniellov članak napravljen je od cinkove i bakrene elektrode uronjene u vodene otopine vlastitih iona. Cinkova elektroda uronjena je u otopinu cinkova sulfata, a bakrova elektroda u otopinu bakrova(II) sulfata.

Struja koju daje Daniellov članak posljedica je reakcija na elektrodama:

K(+): Cu²⁺(aq) + 2e^- → Cu(s)

A(-): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e^-

ukupna jednadžba reakcije: Cu²⁺(aq) + Zn(s) → Zn²⁺ + Cu(s)

Galvanske članke prikazujemo i shematskim prikazom. Crta označava granicu elektroda/elektrolit, a dvostruka crta označava elektrolitski most. Elektrolitski most se ponekad naziva elektrolitskim ključem, a tehnički može biti izveden na različite načine kako bi neutralizirao višak iona u pojedinom članku. Prema dogovoru anodni proces se piše uvijek na lijevoj strani shematskog prikaza, a katodni proces na desnoj strani.

Tako shematski prikaz Daniellova članka izgleda ovako:

Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s)

Elektrokemijske izvore električne energije može se podijeliti na primarne i sekundarne galvanske članke.

Primarni galvanski članci su baterije koje nisu punjive zbog čega se mogu smatrati neobnovljivim izvorima električne struje. Kemijska se energija u primarnim galvanskim člancima nepovratno pretvara u električnu, kemijske reakcije su ireverzibilne.

Sekundarni galvanski članci su punjive baterije i akumulatori zbog čega se mogu smatrati obnovljivim izvorima električne struje. Kemijske reakcije u sekundarnim galvanskim člancima su reverzibilne.

Primarni galvanski članci

Najpoznatiji primarni galvanski članak je i danas Leclanchéov članak. Izumio ga je 1866 Georges Leclanché (1839 – 1882) (čitati Žorž Lklanše) francuski elektroinženjer.

Leclanchéov članak je građen od cinkove posudice koja je negativna elektroda (anoda) zaštićena metalnim plaštom. Atomi cinka iz cinkove posudice oksidacijom prelaze u cinkove ione, zbog čega stijenke posudice postaju sve tanje. Pozitivna elektroda (katoda) je grafitni štapić uronjen u smjesu manganova(IV) oksida i čađe.

Članak se naziva suhi članak jer je elektrolit gusta vlažna higroskopna smjesa amonijeva klorida, cinkova klorida i želatine ili škroba, koji služi za geliranje.

Pojednostavljeno, na elektrodama pri radu članka dolazi do ovih reakcija:

A(-): Zn → Zn²⁺ + 2e^-

K(+): 2MnO₂ + 2e^- + 2NH₄⁺ → Mn_²O₃ + H₂O + 2NH₃

ukupna jednadžba reakcije: Zn(s) + 2MnO₂(s) + 2NH₄Cl(aq) → ZnCl₂(aq) + Mn₂O₃(s) + H₂O(l) + 2NH₃(l)

Napon Leclanchéovog članka iznosi 1,5 V. Veći napon može se postići serijskim povezivanjem članaka. Današnje baterije imaju niz prednosi u odnosu na prvi Leclanchéov članak. One imaju veći napon. Trajnije su i mogu se koristiti pri nižim temperaturama.

Sekundarni galvanski članci

Sekundarni galvanski članci su akumulatori.

Akumulatori su reverzibilni galvanski članci koji se nakon pražnjenja mogu ponovo puniti.

Pri punjenju akumulatora električna energija se pretvara u kemijsku energiju.

Pri pražnjenju akumulatora kemijska energija se pretvara u električnu energiju.

Olovni akumulator

U olovnom akumulatoru, negativni (–) pol, anoda, je elektroda od olova (Pb). Pozitivan (+) pol, katoda, je elektroda od olovova (IV) oksida (PbO₂). Elektrolit je 20%-tna sumporna kiselina (H₂SO₄).

Svaki članak olovnog akumulatora ima napon od 2 volta. Olovni akumulator koji se koristi u osobnim automobilima ima napon 12 volta, prema tome serijski je spojeno 6 članaka.

Reakcija punjenja i pražnjenja akumulatora može se prikazati jednadžbom kemijske reakcije:

Gorivni članak

Do sada je praktično primijenjen samo gorivni članak vodik – kisik, u kojem električna energija nastaje reakcijom sinteze vodika i kisika u vodu.

U gorivnom članku su grafitne elektrode s katalizatorom (nikal, Ni ili paladij, Pd), porozne, kako bi mogle propuštati plinove (vodik i kisik ) koji reagiraju s elektrolitom.

Elektrolit je kalijeva lužina (KOH) koji u vodenoj otopini disocira na kalijeve (K⁺) i hidroksidne (OH^–) ione.

Opisana redoks reakcija uzrokuje tok elektrona u vanjskom strujnom krugu.

Gorivni članci ekološki su prihvatljivi izvori električne energije.

U tablici su navedeni podatci standardnih elektrodnih potencijala pri $25^{\circ} \mathrm{C}$ . Shematski prikaz redoks-sustava | $\boldsymbol{E}^{\circ} / \mathbf{V}$ $\mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{aq}) ~| \mathrm{~Ag}(\mathrm{s})$ | 0,800 $\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) ~| \mathrm{~Cu}(\mathrm{s})$ | 0,342 $\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) ~| \mathrm{~Fe}(\mathrm{s})$ | -0,447 $\mathrm{Mg}^{2+}(\mathrm{aq}) ~| \mathrm{~Mg}(\mathrm{s})$ | -2,372 Koji metal iz tablice može reducirati navedene katione drugih metala kada se uroni u vodenu otopinu njihove soli? Prikažite shematski galvanski članak koji je građen od srebrova i bakrova polučlanka. Napišite ukupnu jednadžbu kemijske reakcije koja prikazuje promjenu u galvanskome članku građenome od bakrova i željezova polučlanka. Galvanski članak prikazan je shematski: $\mathrm{Mg}(\mathrm{s})\left|\mathrm{Mg}^{2+}(\mathrm{aq}) ~¦¦ \mathrm{~Ag}^{+}(\mathrm{aq})\right| \mathrm{Ag}(\mathrm{s})$ U kojoj će se vodenoj otopini soli metala smanjiti koncentracija metalnih iona nakon 10 minuta rada članka?