Ogniwa Galwaniczne

W życiu codziennym stosujemy różne rodzaje ogniw, najczęściej o tym nie wiedząc. Zasilamy nimi radia, magnetofony, zegarki, kalkulatory i inne urządzenia elektroniczne. Pierwsze ogniwo skonstruował 200 lat temu, bo w 1800 roku, włoski fizyk Alessandro Volta (1745-1827). Od tego czasu ogniwa przechodziły różne przeobrażenia zanim przybrały dzisiejszą postać.
Nazwa "ogniwo galwaniczne" pochodzi od nazwiska włoskiego lekarza, fizyka i fizjologa Luigi Galvaniego (1737-1798). Ogniwo galwaniczne jest to układ złożony z dwóch półogniw i spełniający warunek, że po połączeniu półogniw zewnętrznym przewodnikiem metalicznym następuje w nim przepływ elektronów. Półogniwa mogą łączyć się ze sobą bezpośrednio lub poprzez przegrodę umożliwiającą ruch jonów. Półogniwo jest to układ składający się z elektrody zanurzonej w roztworze elektrolitu. Wszystkie półogniwa możemy podzielić na półogniwa typu redox, w których elektroda nie bierze udziału w reakcji zachodzącej w półogniwie i jest tylko przenośnikiem elektronu. Do budowy tego typu półogniw stosuje się najczęściej grafit i platynę. Do grupy półogniw redoks możemy także zaliczyć półogniwa gazowe. Takie półogniwo jest zbudowane z blaszki z metalu, zazwyczaj z platyny, nie dającego własnej reakcji elektrodowej. Blaszka ta omywana jest przez strumień gazu i zanurzona jest w roztworze elektrolitu zawierającym drobiny odpowiadające gazowi przepływającemu przez półogniwo. Przykładowymi półogniwami gazowymi są półogniwa wodorowe i chlorowe. Drugim rodzajem półogniw jest półogniwo metaliczne, w którym płyta metalowa zanurzona jest w elektrolicie zawierającym kationy metalu, z którego jest zbudowana. Elektroda ta bierze udział w reakcji przebiegającej w półogniwie. Przyczyną przepływu elektronów z jednego półogniwa do drugiego przez obwód różnica potencjałów wewnętrznych.
W celu zwięzłego zapisywania budowy ogniw galwanicznych, zamiast ich rysowania, stosuje się umowne schematy:

elektrolit 1 / elektrolit 1 // elektrolit 2 / elektroda 2

czyli:

(-) anoda / elektrolit anodowy // elektrolit katodowy / katoda (+)

np.

(-) Zn / ZnSO4 // CuSO4 / Cu (+)

Znaki + i - określają biegunowość ogniwa.
Ten właśnie schemat przedstawia budowę ogniwa Daniella. Ogniwo to składa się z dwóch półogniw, jednego cynkowego (Zn), zanurzonego w roztworze ZnSO4, a drugiego miedziowego (Cu), zanurzonego w roztworze CuSO4. Ogniwo to musi być oddzielone przegrodą porowatą, zwaną kluczem elektrolitycznym, aby jony mogły przepływać i wyrównać ilość ładunków w obu roztworach.
Wiele ogniw galwanicznych, odpowiednio skonstruowanych, jest stosowanych w wielu urządzeniach elektronicznych. Ogniwa te używane są do zasilania latarek, radioodbiorników zegarków, itp. Ogniwa te powszechnie znamy pod postacią baterii. Ogniwa, które możemy wykorzystać jako źródła prądu możemy podzielić na ogniwa nieregenerowalne i ogniwa regenerowalne. Te pierwsze można wykorzystać tylko jednokrotnie, ponieważ procesy elektrodowe prowadzą do trwałych zmian chemicznych. Ogniwa regenerowalne zwane są akumulatorami i można je wykorzystywać wielokrotnie, po podłączeniu zewnętrznego źródła prądu o właściwym napięciu. Wtedy zachodzą te same reakcje elektrodowe, co podczas pracy w ramach ogniwa, ale w przeciwnym kierunku. Akumulatory, więc można ponownie załadować, po każdym rozładowaniu.
Najpopularniejszym ogniwem nieregenerowalnym jest ogniwo Leclanchego o schemacie:
(-) Zn / NH4Cl // MnO2,C (+)

Na cynkowej anodzie zachodzi proces utleniania, a na katodzie dochodzi do redukcji ditlenku manganu. Napięcie na ogniwie Leclanchego wynosi 1,5 Volta i stopniowo maleje wraz z zużyciem ogniwa. Składa się ono z kubka cynkowego (elektroda ujemna), napełnionego 20% roztworem salmiaku zagęszczonego mąką ziemniaczaną i osadzonego w woreczku z dwutlenku manganu (depolaryzatora), oraz pręta węglowego tworzącego elektrodę dodatnią. Podczas pobierania prądu następuje elektroliza roztworu salmiaku. Jony ujemne dążą do elektrody cynkowej, po oddaniu ładunku ujemnego zobojętniają się elektrycznie i stają się chemicznie czynnymi cząsteczkami wstępują w związek chemiczny z cynkiem. Jony dodatnie wodoru kierują się do elektrody węglowej. Aby nie osiadały one na niej w postaci pęcherzyków zobojętnionych atomów wodoru, pręt węglowy pokryty depolaryzatorem z dwutlenku manganu, który utlenia atomy wodoru na wodę. Ogniwo działa tak długo jak zachodzę w nim reakcje chemiczne z cynkiem. Ogniwo to błędnie nazywane jest baterią, gdyż bateria to kilka ogniw połączonych ze sobą szeregowo, lub równolegle. Ogniwo Leclanchego to popularne baterie R6, R14, R20, stosowane np. w walkmanach. Ogniwo te jest ciągle udoskonalane, by dostarczało więcej energii, na dłuższy czas użytkowania.
Najpowszechniej stosowane są dwa typy akumulatorów: akumulatory
kwasowe - ołowiowe i akumulatory zasadowe - żelazo-niklowe.
Akumulatory są to ogniwa elektrolityczne, które stają się źródłem prądu po ich naładowaniu, to znaczy po przepuszczeniu przez nie prądu stałego w określonym czasie. W czasie ładowania następuje elektroliza elektrolitu i zachodzą zmiany chemiczne masy czynnej płyt akumulatora.
Ładownie akumulatora polega na przetwarzaniu energii elektrycznej w chemiczną, a wyładowanie na przekształceniu energii chemicznej w elektryczną.
Akumulator ołowiowy składa się z dwóch płyt zanurzonych w elektrolicie - 37% roztworze wodnym kwasu siarkowego. Gęstość elektrolitu powinna wynosić od 1,27 - 1,29 g/cm3. Pojemność akumulatora i dopuszczalne natężenie prądu zależy od budowy i powierzchni płyt. Płyty są najczęściej zrobione z krat ołowianych, wypełnionych porowatą masą czynną. Płyta dodatnia naładowanego akumulatora o zabarwieniu brunatnym zawiera dwutlenek ołowiu, szara płyta ujemna - ołów porowaty.
Najczęściej w naczyniu szklanym lub ebonitowym wypełnionym elektrolitem umieszcza się kilka płyt ujemnych, przedzielonych płytami dodatnimi. Płyt ujemnych jest o jedną więcej niż dodatnich, ponieważ na obu końcach szeregu powinny być płyty ujemne, które są odporniejsze na uszkodzenia. Płyty tej samej biegunowości połączone są ze sobą ołowianymi mostkami. Aby zapobiec zetknięciu się płyt o różnych biegunach, oddziela się je od siebie rurkami szklanymi lub nie przewodzącymi przekładkami porowatymi nasiąkniętymi elektrolitem.
W czasie wyładowywania następuje elektroliza i w wyniku przemian chemicznych w obu płytach masa czynna przekształca się stopniowo w siarczan ołowiu. Równocześnie zmniejsza się gęstość elektrolitu w związku z łączeniem się kwasu siarkowego z masą czynną, przy równoczesnym powstawaniu wody w wyniku reakcji chemicznych. Jeśli gęstość elektrolitu zmniejszy się do 1,19 g/cm3, to akumulator należy doładować. Przy ładowaniu akumulatora następuje przemiana siarczanu ołowiu w tlenek ołowiu (płyta dodatnia) i w ołów porowaty (płyta ujemna) przy równoczesnym wydzielaniu do elektrolitu kwasu siarkowego i zwiększaniu jego gęstości.
Przeciętne napięcie jednego ogniwa akumulatora ołowiowego wynosi około
2 V. W miarę postępowania procesu wyładowania napięcie spada tym więcej i prędzej, im pobierany prąd jest o większym natężeniu. Podczas wyładowania i osiągnięcia napięcia około 1,8 V należy wyładowanie przerwać i jak najszybciej poddać ładowaniu, ponieważ dalsze czerpanie prądu i pozostawienie w stanie nie naładowanym powoduje uszkodzenie akumulatora. Akumulator w czasie ładowania pobiera więcej energii, niż wynika to z jego pojemności, gdyż część energii zużywa się na przezwyciężanie oporów wewnętrznych oraz na pokrycie strat wewnętrznych (chemicznych i cieplnych).
Akumulatory ołowiowe stosuje się głównie w instalacjach elektrycznych samochodów i motocykli.
Akumulatory zasadowe są znacznie cięższe i większe od kwasowych i dlatego nie stosowane są do użytku codziennego. Są bardzo odporne na wszelkie zwarcia, spadki napięcia, a ponadto mogą być rozładowane do zera i przez dłuższy czas im to nie szkodzi. Dlatego właśnie stosuje się je na okrętach jako jednostki zasilające, gdyż tam waga nie jest zbyt ważna.
Dzisiaj bez ogniw galwanicznych, bez źródła prądu nasza cywilizacja nie miałaby żadnych szans na przetrwanie. Bez ogniw galwanicznych nie jesteśmy w stanie wyobrazić sobie życia i naszej egzystencji.