5.5 Sljedeća jedinica Korozija je neželjena redoks-reakcija
5.4

Elektrokemijski izvori električne energije

Moći ću:
  • uočiti važnost elektrokemije u svakodnevnom životu
  • opisati princip rada gorivnog članka kao suvremenog izvora električne energije

Uvod

Luigi Galvani i Alessandro Volta postavili su temelje proizvodnje i primjene istosmjerne električne struje, krajem 18. stoljeća.
Luigi Galvani bio je profesor anatomije na Sveučilištu u Bologni.
Alessandro Volta bio je profesor fizike na Sveučilištu u Comu.

Uvod

Luigi Galvani, profesor anatomije na Sveučilištu u Bologni i Alessandro Volta, profesor fizike na Sveučilištu u Comu krajem 18. stoljeća postavili su temelje proizvodnje i primjene istosmjerne električne struje.

Luigi Galvani, spomenik u Italiji

Luigi Galvani (1737. – 1798.)

Godine 1771. Luigi Galvani otkrio je sasvim slučajno električnu struju pri pokusu sa žabljim kracima. Bakrenom kukom je uhvatio vlažne žablje krakove pričvršćene na željeznu ogradu i primijetio da se kraci trzaju. Galvani je bio uvjeren da životinje stvaraju elektricitet i da je taj elektricitet izazvao grčenje krakova. Po njemu su istosmjerne električne struje nazvane galvanske struje.

Alessandro Volta (1745. – 1827.)

Alessandro Volta (1745. – 1827.)

Originalni Voltin stup načinjen 1799. godine.

Alessandro Volta konstruirao je prvu bateriju, tzv. Voltin stup koji je u čast Luigija Galvanija nazvan galvanski članak, uređaj za proizvodnju istosmjerne električne energije. Između dvaju metala stavio je pločice od kartona ili kože uronjene u vodu ili otopinu kuhinjske soli. Tako je otkrio razliku napona između pojedinih metala. Prema njemu se naziva jedinica za mjerenje električnoga napona, volt, i mjerni instrument za električni napon, voltmetar.

1 / 4

Galvanski članci

Elektrokemijske izvore električne energije može se podijeliti na:

  1. primarne galvanske članke
  2. sekundarne galvanske članke

Primarni galvanski članci su baterije koje nisu punjive.
Zbog toga se mogu smatrati neobnovljivim izvorima električne struje.
Kemijska energija nepovratno se pretvara u električnu energiju.

Sekundarni galvanski članci su punjive baterije i akumulatori.
Zbog toga 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 (čitaj Lklanšeov članak).
Izumio ga je 1866. godine francuski elektroinženjer Georges Leclanché (1839. – 1882.) (čitati Žorž Lklanše).
Leclanchéov članak je građen od cinkove posudice.
Cinkova poudica koja je negativna (-) elektroda (anoda), zaštićena metalnim plaštom.
Atomi cinka (Zn) iz cinkove posudice oksidacijom prelaze u cinkove ione.
Zbog toga stjenke posudice postaju sve tanje.
Pozitivna (+) elektroda (katoda) je grafitni štapić uronjen u smjesu manganova (IV) oksida ( \ce{MnO2} ) i čađe (C).
Članak se naziva suhi članak jer je elektrolit gusta vlažna higroskopna smjesa amonijeva klorida ( \ce{NH4Cl} ), cinkova klorida ( \ce{ZnCl2} ) i želatine ili škroba koji služi za geliranje.
Pojednostavljeno, na elektrodama pri radu članka dolazi do ovih reakcija:


Anoda: \ce{Zn(s) -> Zn^{2+}(aq) + 2e-}

Katoda: \ce{MnO2(s) + NH4+(aq) + e- -> MnO(OH)(s) + NH3(g)}\quad / \cdot 2

Ukupnu kemijsku reakciju baterije uključene u strujni krug prikazuje jednadžba:

\ce{Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) -> [Zn(NH3)2]Cl2(s) + MnO(OH)(s)}

Napon Leclanchéovog (čitaj Lklanšeovog) članka iznosi 1,5 V.
Veći (>) napon može se postići serijskim povezivanjem članaka.

Galvanski članci

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, \ce{MnO2} i čađe, C.

Članak se naziva suhi članak jer je elektrolit gusta vlažna higroskopna smjesa amonijeva klorida, \ce{NH4Cl} , cinkova klorida, \ce{ZnCl2} i želatine ili škroba koji služi za geliranje.

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


Anoda: \ce{Zn(s) -> Zn^{2+}(aq) + 2e-}

Katoda: \ce{MnO2(s) + NH4+(aq) + e- -> MnO(OH)(s) + NH3(g)}\quad / \cdot 2

Ukupnu kemijsku reakciju baterije uključene u strujni krug prikazuje jednadžba:

\ce{Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) -> [Zn(NH3)2]Cl2(s) + 2MnO(OH)(s)}

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.

Današnje baterije imaju niz prednosi u odnosu na prvi Leclanchéov članak. One imaju veći napon, trajnije su i mogu se koristiti pri nižim temperaturama.

Alkalne baterije u satu

Alkalne baterije (sa \ce{MnO2} )
Alkalne baterije sastoje se od čelične posudice u kojoj je negativna (-) elektroda cink (Zn) u prahu.
Pozitivna (+) elektroda je grafit oko kojeg je smjesa \ce{MnO2} .
Elektrolit je koncentrirana otopina kalijeve lužine (KOH).
Cink (Zn) je reducens.
\ce{MnO2}   je oksidans kao u reakcijama Leclanchéovog članka.

Anoda: \ce{Zn(s) + 2OH-(aq) -> ZnO(s) + H2O(l) + 2e-}

Katoda: \ce{2MnO2(s) +H2O(l) + 2e- -> Mn2O3(s) + 2OH-(aq)}

Litijeva baterija u Apple iPhone 5S

Litijeve baterije
U litijevim baterijama reducens je litij (Li), negativna (-) elektroda.
Oksidans, pozitivna (+) elektroda, može biti oksid ili sulfid prijelaznog metala.

Anoda: \ce{Li(s) -> Li+ + e-}

Katoda: \ce{MnO2(s) + Li+ + e- -> LiMnO2(s)}

Dugmaste baterije

U dugmastim baterijama negativna (-) elektroda je cink (Zn) u prahu.
Pozitivna (+) elektroda (+) je živin (II) oksid (HgO).
Elektrolit je lužnata otopina cinkova oksida (ZnO) i kalijeva hidroksida (KOH).

Anoda: \ce{Zn(s) + 2OH-(aq) -> ZnO(s) + H2O(l) + 2e-}

Katoda: \ce{Ag2O(s) + 2e- + H2O(l) -> 2Ag(s) + 2OH-(aq)}

1 / 3
Alkalne baterije u satu

Alkalne baterije (sa \ce{MnO2} )

Alkalne baterije sastoje se od čelične posudice u kojoj je negativna elektroda cink u prahu, pozitivna elektroda grafit oko kojeg je smjesa \ce{MnO2} , a elektrolit koncentrirana otopina kalijeve lužine. Cink je reducens, a \ce{MnO2} oksidans kao u reakcijama Leclanchéovog članka.

anoda(-): \ce{Zn(s) + 2OH-(aq) -> ZnO(s) + H2O(l) + 2e-}

katoda(+): \ce{2MnO2(s) +H2O(l) + 2e- -> Mn2O3(s) + 2OH-(aq)}

Litijeva baterija u Apple iPhone 5S

Litijeve baterije

U litijevim baterijama reducens je litij, negativna elektroda, a oksidans, pozitivna elektroda može biti oksid ili sulfid prijelaznog metala.

anoda(-): \ce{Li(s) -> Li+ + e-}

katoda(+): \ce{MnO2(s) + Li+ + e- -> LiMnO2(s)}

Dugmaste baterije

U dugmastim baterijama negativna elektroda je cink u prahu, a pozitivna elektroda živin(II) oksid. Elektrolit je lužnata otopina cinkova oksida i kalijeva hidroksida.

anoda(-): \ce{Zn(s) + 2OH-(aq) -> ZnO(s) + H2O(l) + 2e-}

katoda(+): \ce{Ag2O(s) + 2e- + H2O(l) -> 2Ag(s) + 2OH-(aq)}

Punjač baterija

Tijekom 19. i 20. stoljeća galvanski članci su bili ireverzibilni ili nepovratni, nisu se mogli puniti. Danas se sve više koriste baterije koje se mogu puniti posebnim punjačima uključenim u električnu mrežu.

Nakon uporabe zbog otrovnog sadržaja baterije je potrebno odlagati u posebne spremnike. Pravilno odlaganje baterija sprječava zagađenje okoliša i omogućuje recikliranje skupih metala, primjerice, srebra.

1 / 5

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.

kemijska energija \ce{<=>[pražnjenje][punjenje]} električna energija

1. 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).

Sekundarni galvanski članci

Sekundarni galvanski članci su akumulatori, reverzibilni galvanski članci koji se nakon pražnjenja mogu ponovo puniti. Pri punjenju akumulatora električna se energija pretvara u kemijsku, a pri pražnjenju kemijska u električnu.

kemijska energija \ce{<=>[pražnjenje][punjenje]} električna energija

1. Olovni akumulator

U olovnom akumulatoru negativni pol, anoda, je elektroda od olova, a pozitivan pol, katoda, je elektroda od olovova(IV) oksida.
Elektrolit je 20 %-tna sumporna kiselina.

Olovni akumulator
Olovni akumulator

Svaki članak olovnog akumulatora ima napon od 2 volta.
Olovni akumulator koji se koristi u osobnim automobilima ima napon 12 volti.

Prema tome, serijski je spojeno 6 članaka.
Reakcija punjenja i pražnjenja akumulatora može se prikazati jednadžbom kemijske reakcije:


\ce{Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) <=>[pražnjenje][punjenje] 2PbSO4(s) + 2H2O(l)}

2. Nikal-kadmijev akumulator

U nikal-kadmijevom akumulatoru negativni (-) pol, anoda, je elektroda od kadmija (Cd).
Pozitivan (+) pol, katoda, je elektroda od niklova (III) hidroksida (Cd(OH)2).
Elektrolit je kalijeva lužina (KOH) koja ne sudjeluje u reakciji.
Reakcija punjenja i pražnjenja akumulatora može se prikazati jednadžbom kemijske reakcije:


\ce{Cd(s) + 2Ni(OH)3(s) <=>[pražnjenje][punjenje] Cd(OH)2(s) + 2Ni(OH)2(l)}

Napon jednog članka nikal-kadmijeva akumulatora je  1,25 V.

Gorivni članak

Gorivni članci su vrsta galvanskih članaka.
U njima se kemijskom reakcijom primjerice  vodika (H2) i kisika (O2) neposredno dobiva električna energija.

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:


\ce{Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) <=>[pražnjenje][punjenje] 2PbSO4(s) + 2H2O(l)}

2. Nikal-kadmijev akumulator

U nikal-kadmijevom akumulatoru negativni pol, anoda, je elektroda od kadmija, a pozitivan pol katoda, je elektroda od niklova(III) hidroksida. Elektrolit je kalijeva lužina koja ne sudjeluje u reakciji.

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


\ce{Cd(s) + 2Ni(OH)3(s) <=>[pražnjenje][punjenje] Cd(OH)2(s) + 2Ni(OH)2(l)}

Napon jednog članka nikal-kadmijeva akumulatora je \pu{1,25 V} .

 

Gorivni članak

Gorivni članci su vrsta galvanskih članaka u kojima se kemijskom reakcijom, primjerice, vodika i kisika neposredno dobiva električna energija.

Do sada je praktično primijenjen samo gorivni članak vodik – kisik.

U gorivnom članku vodik – kisik električna energija nastaje reakcijom sinteze vodika ( \ce{H2} ) i kisika ( \ce{O2} ) u vodu.

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 s katalizatorom (nikal, Ni ili paladij, Pd), porozne, kako bi mogle propuštati plinove   ( \ce{H2} i \ce{O2} ) koji reagiraju s elektrolitom.
Elektrolit je kalijeva lužina (KOH) koji u vodenoj otopini disocira na kalijeve (K+) i hidroksidne (OH–) ione.

Reakcije u gorivnom članku:


anoda (–): \ce{2H2(g) + 4OH-(aq) -> 4H2O(l) + 4e-}             oksidacija

katoda (+): \ce{O2(g) + 2H2O(l) + 4e- -> 4OH-(aq)}              redukcija

\ce{2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(l)}

Opisana redoks reakcija uzrokuje tok elektrona u vanjskom strujnom krugu.
Gorivni članci ekološki su prihvatljivi izvori električne energije.

U gorivnom članku elektrode su grafitne s katalizatorom (nikal ili paladij), porozne, kako bi mogle propuštati plinove ( \ce{H2} i \ce{O2} ) koji reagiraju s elektrolitom.

Elektrolit je kalijeva lužina koja u vodenoj otopini disocira na kalijeve i hidroksidne ione.

Reakcije u gorivnom članku:


anoda (–): \ce{2H2(g) + 4OH-(aq) -> 4H2O(l) + 4e-}

katoda (+): \ce{O2(g) + 2H2O(l) + 4e- -> 4OH-(aq)}

\ce{2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(l)}

Opisana redoks-reakcija uzrokuje tok elektrona u vanjskom strujnom krugu. Gorivni članci ekološki su prihvatljivi izvori električne energije.

Na kraju…

Riješite kviz!

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Ako je napon jednog članka 0,90 V,  koliki je napon serijski spojenih galvanskih članaka na slici?


Rješenje:

Napon “galvanskih članaka” prikazanih slikom je

V.

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Tvari sadržane u starim baterijama i akumulatorima vrlo su opasne i štetne za okoliš.

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Stoga, tvari sadržane u starim baterijama i akumulatorima treba odvajati od ‘običnog’, ‘kućnog’ otpada i odlagati u posebne spremnike.

Posebni spremnici se nalaze u reciklažnim dvorištima ili spremnicima predviđenim za tu vrstu opasnog otpada.

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Danas se rabe olovni akumulatori kod kojih su i anoda i katoda izgrađene od

olovova (IV) oksida (PbO2).

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Galvanski članci koji sadrže kadmij (Cd) moraju se nakon uporabe pravilno zbrinuti jer je kadmij (Cd) teški metal.

Odložen nekontrolirano u prirodi može zagaditi podzemne vode.

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Neke se baterije isplati reciklirati.

Zašto odbaciti vrijednu sirovinu ako je možemo ponovno upotrijebiti?

Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?

Unesite odgovore na pripadajuća mjesta.

Dopunite rečenicu.

Ako je napon jednog čanka 0,90 V koliki je napon serijski spojenih galvanskih članaka na slici?

Rješenje:

Napon “galvanskih članaka” prikazanih slikom je
V.
Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Tvari sadržane u starim baterijama i akumulatorima vrlo su opasne i štetne za okoliš.

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Baterije treba odvajati od ‘običnog’, ‘kućnog’ smeća i odlagati u posebne spremnike u reciklažnim dvorištima ili spremnicima predviđenim za tu vrstu opasnog otpada.

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Anoda i katoda u olovnom akumulatoru izgrađene su od olovova(IV) oksida.

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Galvanski članci koji sadrže kadmij moraju se nakon uporabe pravilno zbrinuti jer je kadmij teški metal i odložen nekontrolirano u prirodi može zagaditi podzemne vode.

Netočno
Točno

Je li tvrdnja točna ili netočna? Odaberite klikom na gumb.

Je li ova tvrdnja točna?

Neke se baterije isplati reciklirati. Zašto odbaciti vrijednu sirovinu ako je možemo ponovno upotrijebiti?

Netočno
Točno
{{correctPercent}}%

Želite li pokušati ponovo?