Ogniwa galwaniczne

Układ utworzony przez połączenie dwóch półogniwpółogniwopółogniw, za pomocą klucza elektrolitycznegoklucz elektrolitycznyklucza elektrolitycznego i przewodnika metalicznego (przewodu), nosi nazwę ogniwa galwanicznego. Przewód odgrywa rolę przekaźnika elektronów. Klucz elektrolityczny umożliwia przepływ jonów pomiędzy roztworami elektrolitów i pozwala na wyrównanie ładunku. Zamknięcie obwodu, np. amperomierzemamperomierzamperomierzem lub woltomierzemwoltametrwoltomierzem powoduje, że ich wskazówka wychyla się, co oznacza, że w układzie płynie prąd.

Ogniwo jest źródłem prądu, powstającego na skutek samorzutnego przebiegu reakcji utleniania‑redukcjireakcje utleniania‑redukcjireakcji utleniania‑redukcji.

W ogniwie są dwie elektrody:

• na jednej następuje wydzielanie metalu, czyli zachodzi redukcja – jest to katoda:

• na drugiej jony metalu przechodzą do roztworu, czyli zachodzi utlenianie – jest to anoda:

Elektroda o niższej wartości potencjału jest anodą, a wyższej – katodą. Katoda ma znak dodatni, a anoda ujemny. Elektrony (${\text{e}}^{-}$) płyną od anody do katody. Umownie przyjęto, że prąd elektryczny przepływa w kierunku odwrotnym:

Schematyczny zapis ogniwa, zgodnie z konwencją sztokholmską:

gdzie:

• $\left|\right|$ – oznacza klucz elektrolityczny;

• $|$ – oznacza powierzchnię styku między przewodnikiem jonowym elektrolitem a przewodnikiem elektronowym (katodą, anodą).

Sumaryczną reakcję, zachodzącą w ogniwie, można zapisać równaniem:

Siła elektromotoryczna (SEM) powstałego ogniwa jest równa różnicy potencjałów elektrod (od potencjału katody odejmuje się potencjał anody) w ogniwie niepracującym:

gdzie:

• $E^0$ – potencjał standardowy elektrody;

• $R$ – uniwersalna stała gazowa $\left[\frac{\text{hPa}·{\text{dm}}^3}{\text{mol}·\text{K}}\right]$ lub $\left[\frac{\text{J}}{\text{mol}·\text{K}}\right]$;

• $T$ – temperatura [$\text{K}$];

• $\mathrm{z}$ – liczba elektronów biorących udział w reakcji elektrodowej;

• F – stała Faradaya ($96 500 \frac{\text{C}}{\text{mol}}$).

Poniżej przedstawiono schematyczną budowę ogniwa metalicznego:

Ogniwa nieodwracalne (pierwotne)

Ogniwo cynkowo‑węglowe (ogniwo Leclanchégo)

Jest to najpopularniejsze ogniwo galwaniczne, występujące powszechnie w handlu. Są to tzw. „baterie” okrągłe, różnej wielkości, oznaczane symbolami R3/AAA, R6/AA (tzw. paluszek), R10, R14, R20 (o napięciu 1,5 V) lub baterie płaskie (o napięciu 4,5 V – trzy ogniwa R12 połączone szeregowo).

RF0Tj2vDy8kU0

Na zdjęciu jest kilka baterii typu paluszek. Mają kształt walca.

Biegunem ujemnym jest elektroda cynkowa, natomiast biegun dodatni wykonany jest w postaci pręta węglowego (grafitu), wokół którego umieszczony jest sproszkowany tlenek manganu(IV). Między biegunami znajduje się elektrolit o odczynie kwasowym, w skład którego wchodzi chlorek amonu oraz chlorek cynku. Zewnętrzna strona cynkowego pojemnika pokryta jest szczelną osłoną, zabezpieczającą przed wyciekami elektrolitu. Jeśli kwaśny elektrolit wydostanie się na zewnątrz ogniwa, to może zniszczyć gniazdo baterii, obwody drukowane lub elementy elektroniczne.

Bezpośrednim źródłem prądu w ogniwie cynkowo‑węglowym są reakcje utlenienia cynku (elektroda cynkowa) i redukcji jonów amonowych (elektroda węglowa):

• Anoda: $\mathrm{Zn}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+2 {\mathrm{e}}^{-}$

• Katoda: $2 {{\mathrm{NH}}_4}^{+}+2 {\mathrm{e}}^{-}\to 2 {\mathrm{NH}}_3+{\mathrm{H}}_2\uparrow$

Schemat budowy ogniwa cynkowo‑węglowego zapisuje się w następujący sposób:

$(-) \mathrm{Zn}|{\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl}, {\mathrm{ZnCl}}_2|{\mathrm{MnO}}_2,\mathrm{C} (+)$

Ogniwo alkaliczne

Ogniwa alkaliczne występują powszechnie w handlu, np. jako popularne „baterie” okrągłe różnej wielkości, oznaczane symbolami LR03 (AAA), LR6 (AA, tzw. paluszek), LR14 (C) lub LR20 (D). Nazwa „ogniwo alkaliczne” pochodzi od zasadowego (alkalicznego) odczynu elektrolitu, którym jest wodny roztwór wodorotlenku potasu. Biegun ujemny ogniwa wykonany jest z cynku, a biegun dodani z tlenku manganu(IV). Zasada działania ogniwa polega więc na reakcji chemicznej, zachodzącej pomiędzy cynkiem a tlenkiem manganu(IV):

• Anoda: $\mathrm{Zn}+2 {\mathrm{OH}}^{-}\to \mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+2 {\mathrm{e}}^{-}$

• Katoda: $2{\mathrm{MnO}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2 {\mathrm{e}}^{-}\to {\mathrm{Mn}}_2{\mathrm{O}}_3+2 {\mathrm{OH}}^{-}$

Reakcja sumaryczna:

$2 {\mathrm{MnO}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{Zn}\to {\mathrm{Mn}}_2{\mathrm{O}}_3+\mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$

RcuB8A4IKBH59

Ilustracja przedstawia schemat budowy baterii. Jest podłużny. Na dole po lewej stronie jest znak plus, na dole na środku znak minus. Elektrony płyną od plusa do minusa - od zewnętrznej warstwy baterii przez jej środek. Przedostatnia warstwa baterii wypełniona jest ${\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}}_2+\mathrm{C}$. Wewnętrzna część KOH+Zn. Przez środek, wzdłuż baterii biegnie czerwona linia.

Pojemność ogniw alkalicznych jest wyższa niż cynkowo‑węglowych i wytrzymują one wyższy pobór prądu. Ogniwa alkaliczne pracują efektywnie w zakresie temperatur od -30 do +70°C.

R173xoaLFqWZI

Na zdjęciu są cztery baterie typu paluszki. Leżą w jednym rzędzie.

Ogniwo tlenkowo‑srebrowe

Ogniwo tlenkowo‑srebrowe, to tzw. baterie guzikowe. Posiadają ujemny biegun, wykonany z cynku, oraz dodatni, wykonany z tlenku srebra(I). Zasada działania ogniwa polega więc na reakcji chemicznej, zachodzącej pomiędzy cynkiem a tlenkiem srebra(I):

• Anoda: $\mathrm{Zn}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+2 {\mathrm{e}}^{-}$

• Katoda: $2 {\mathrm{Ag}}^{+}+2 {\mathrm{e}}^{-}\to 2 \mathrm{Ag}$

Reakcja sumaryczna:

$\mathrm{Zn}+{\mathrm{Ag}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{ZnO}+2 \mathrm{Ag}$

Elektrolitem jest najczęściej wodny roztwór wodorotlenku potasu. Stosowane są przede wszystkim w kamerach, kalkulatorach i zegarkach.

R16WZPJ07a3Nu

Na zdjęciu jest kilka okrągłych, płaskich baterii. Przypominają monety.

Pozostałe ogniwa nieodwracalne to np.:

Ogniwa odwracalne (wtórne, akumulatory)

Akumulator kwasowo‑ołowiowy (akumulator Plantego)

Jest to jeden z najczęściej stosowanych akumulatorów ze względu na najniższe koszty, dużą odporność na warunki zewnętrzne, a także dużą ilość cykli ładowania i rozładowywania. Dzięki temu stosowany jest bardzo często jako źródło zasilania rozrusznika samochodowego. Ogniwo to jest zbudowane z elektrody ołowiowej (anody), elektrody z tlenku ołowiu(IV) (katody) oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego funkcję elektrolitu. Jego wadą jest duży ciężar.

Rt7JiUJGg77UB

Na zdjęciu na blacie stoją dwa akumulatory. Są prostokątne. Mają plastikową obudowę.

W trakcie poboru prądu z akumulatora (rozładowania), na elektrodach zachodzą następujące reakcje chemiczne:

• Anoda: $\mathrm{Pb}+{{\mathrm{SO}}_4}^{2-}\rightleftarrows {\mathrm{PbSO}}_4+2 {\mathrm{e}}^{-}$

• Katoda: ${\mathrm{PbO}}_2+{{\mathrm{SO}}_4}^{2-}+4 {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+2 {\mathrm{e}}^{-}\rightleftarrows {\mathrm{PbSO}}_4+6 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Reakcje te można sumarycznie przedstawić jako:

$\mathrm{Pb}+{\mathrm{PbO}}_2+2 {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\underset{\mathrm{ładowanie}}{\overset{\mathrm{wyładowanie}}{\rightleftarrows }}2 {\mathrm{PbSO}}_4+2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Schemat budowy ogniwa ołowiowego zapisuje się w następujący sposób:

$(-) \mathrm{Pb}|{\mathrm{PbSO}}_4, {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4(\mathrm{aq}\left)\right|{\mathrm{PbO}}_2 (+)$

W trakcie ładowania zachodzą dokładnie takie same reakcje, tyle że w drugą stronę. Czyli anoda, wykonana z metalicznego ołowiu, ma znak ujemny (−) w trakcie poboru prądu oraz znak dodatni (+) w trakcie ładowania. Natomiast katoda, wykonana z tlenku ołowiu(IV), ma znak dodatni (+) w trakcie poboru prądu, a znak ujemny (−) w trakcie ładowania.

Akumulator niklowo‑kadmowy

Jest to akumulator zasadowy, w którym katodę stanowi tlenek wodorotlenek niklu(III) $\mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)$, a anodę metaliczny kadm. Elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku potasu.  Ze względu na uciążliwy efekt pamięci, są coraz rzadziej stosowane, na korzyść akumulatorów $\mathrm{Li}-\mathrm{Ion}$ i $\mathrm{NiHM}$.

Reakcje zachodzące podczas rozładowania ogniwa:

• Anoda: $\mathrm{Cd}+2 {\mathrm{OH}}^{-}\to \mathrm{Cd}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+2 {\mathrm{e}}^{-}$

• Katoda: $2 \mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)+2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2 {\mathrm{e}}^{-}\to 2 \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+2 {\mathrm{OH}}^{-}$

W trakcie ładowania kierunek reakcji jest odwrotny.

Reakcje te można sumarycznie przedstawić jako:

$\mathrm{Cd}+2 \mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)+2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{wy}ł\mathrm{adowanie}}{\underset{ł\mathrm{adowanie}}{\rightleftarrows }}\mathrm{Cd}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+2 \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$

Schemat budowy ogniwa niklowo‑kadmowego zapisuje się w następujący sposób:

$(-) \mathrm{Cd}\left|\mathrm{KOH}\right|\mathrm{NiO}\left(\mathrm{OH}\right)|\mathrm{Ni} (+)$

Akumulator niklowo‑kadmowy stosowany jest powszechnie w wielu urządzeniach elektronicznych, np. przenośnym sprzęcie audiowizualnym, radiotelefonach czy różnego typu grach. Ogniwo to charakteryzuje się dużą ilością cykli ładowania i rozładowywania (do około 1000 cykli), a w związku z tym, długim czasem życia. Jego zaletą jest również mała masa w porównaniu do ciężkich akumulatorów ołowiowych.

RZOt6M9Hr7m5A

Na zdjęciu są zapakowane w żółtą folię cztery baterie typu paluszki. Na opakowaniu są dwa piktogramy: jeden dotyczy recyklingu - jest pod nim napis Ni-Cd, drugi zakazu wrzucania do pojemników na śmieci - jest pod nim napis Cd. Na górze opakowania w lewym rogu jest znak minus, w prawym plus.

Pozostałe ogniwa odwracalne (akumulatory) to np: