Galvanický článek

Rozbalit box

Obsah boxu

Galvanický článek (někdy též voltaický článek) je elektrochemický článek, který přeměňuje chemickou energii uvolněnou při redoxní reakci na elektrickou energii. Je to základní stavební prvek baterie a představuje klíčovou technologii pro uchovávání a generování elektrického proudu. Jeho princip spočívá v oddělení oxidační a redukční poloreakce do dvou samostatných elektrod, mezi nimiž vzniká napětí a dochází k toku elektrického proudu vnějšími obvody.

⏳ Historie

Historie galvanického článku je úzce spjata s objevy v oblasti elektřiny a chemie. První pozorování, která vedla k jeho objevu, učinil italský lékař a vědec Luigi Galvani v roce 1780. Galvani zjistil, že žabí stehýnka se smršťují, když jsou v kontaktu se dvěma různými kovy, což chybně interpretoval jako projev "živočišné elektřiny".

Skutečný průlom však přišel s Alessandrem Voltou, italským fyzikem, který v roce 1800 sestrojil první funkční galvanický článek, známý jako Voltův sloup. Volta správně rozpoznal, že zdrojem elektřiny je chemická reakce mezi kovy a elektrolytem, nikoli živočišná tkáň. Voltův sloup se skládal ze střídavě naskládaných měděných a zinkových disků oddělených kousky látky namočenými v solném roztoku. Tento objev položil základy pro moderní elektrochemii a umožnil další rozvoj výzkumu elektřiny.

V roce 1836 vynalezl John Frederic Daniell tzv. Daniellův článek, který byl vylepšením Voltova sloupu. Daniellův článek používal dvě různé kapaliny (elektrolyty) oddělené porézní přepážkou nebo solným můstkem, čímž eliminoval některé problémy s polarizací a poskytoval stabilnější a delší proud. Tyto rané galvanické články byly klíčové pro rozvoj telegrafie a raných elektrických zařízení.

🧪 Princip činnosti

Princip činnosti galvanického článku je založen na spontánní redoxní reakci, při které dochází k přenosu elektronů z jednoho reaktantu na druhý. Článek je tvořen dvěma poločlánky, z nichž každý obsahuje elektroda ponořenou do elektrolytu.

1. Anoda (záporná elektroda): Zde probíhá oxidace, což je proces ztráty elektronů. Anoda je zdrojem elektronů, které putují vnějším obvodem k katodě. Příkladem je zinková elektroda, kde zinek oxiduje na ionty Zn²⁺ a uvolňuje elektrony:

   Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻

2. Katoda (kladná elektroda): Zde probíhá redukce, což je proces příjmu elektronů. Katoda přijímá elektrony z vnějšího obvodu, které spotřebovává při redukční reakci. Příkladem je měděná elektroda v roztoku síranu měďnatého, kde se Cu²⁺ ionty redukují na kovovou měď:

   Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)

3. Vnější obvod: Elektrony proudí z anody na katodu vnějším vodičem (např. drát), čímž vzniká elektrický proud. 4. Solný můstek: Pro udržení elektroneutrality v obou poločláncích a umožnění nepřetržitého toku proudu je nutné propojení obou elektrolytů. To zajišťuje solný můstek, což je trubice naplněná roztokem inertního elektrolytu (např. KCl nebo NH₄NO₃). Ionty ze solného můstku migrují do poločlánků, aby vyrovnaly náboje vznikající při redoxních reakcích.

Celková reakce pro Daniellův článek je: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s) Elektrické napětí (elektromotorická síla) článku je dáno rozdílem standardních elektrodových potenciálů obou poločlánků.

⚛️ Složení a komponenty

Typický galvanický článek se skládá z několika klíčových komponent:

Dvě elektrody: Každá elektroda je tvořena kovem nebo jiným vodivým materiálem. Jedna elektroda slouží jako anoda (kde probíhá oxidace) a druhá jako katoda (kde probíhá redukce). Materiál elektrod je volen tak, aby se na nich mohly uskutečňovat požadované redoxní reakce.
Dva elektrolyty: Každá elektroda je ponořena do roztoku iontů, které se účastní elektrochemických reakcí. Tyto roztoky se nazývají elektrolyty a jsou obvykle vodnými roztoky soli, kyselin nebo zásad.
Solný můstek (nebo porézní přepážka): Tato součást zajišťuje iontovou vodivost mezi dvěma elektrolyty a zabraňuje jejich přímému smíchání, což by vedlo k rychlému vybití článku. Solný můstek obsahuje inertní elektrolyt, který umožňuje migraci iontů a udržuje elektroneutralitu v obou poločláncích.
Vnější obvod: Elektrony, které se uvolňují na anodě, putují vnějším obvodem (např. měděnými dráty) k katodě, kde jsou spotřebovány. Tento obvod může obsahovat spotřebič (např. žárovka), který využívá generovaný proud.

🔋 Typy galvanických článků

Existuje mnoho různých typů galvanických článků, které se liší použitými elektrodovými materiály a elektrolyty. Mezi nejznámější patří:

Daniellův článek: Jeden z prvních praktických galvanických článků, využívající zinkovou elektrodu v roztoku síranu zinečnatého a měděnou elektrodu v roztoku síranu měďnatého, propojené solným můstkem.
Suchý článek (Leclanchéův článek): Jedná se o primární článek (nelze jej dobíjet), který má zinkovou anodu a uhlíkovou katodu obklopenou pastou z oxidu manganičitého, grafitu a chloridu amonného. Používá se v běžných tužkových bateriích.
Alkalický článek: Vylepšená verze suchého článku s delší životností a stabilnějším napětím. Používá zinkovou anodu a oxid manganičitý jako katodu v alkalickém elektrolytu (KOH).
Olověný akumulátor: Sekundární článek (lze jej dobíjet), široce používaný v automobilech. Skládá se z olověné anody a oxid olovičitý (PbO₂) katody v kyselině sírové.
Lithium-iontový článek: Moderní, dobíjecí článek s vysokou energetickou hustotou, používaný v mobilních telefonech, notebookách a elektromobilech. Využívá lithiové sloučeniny na obou elektrodách a organický elektrolyt.
Palivový článek: Speciální typ galvanického článku, který nepřetržitě přeměňuje chemickou energii paliva (např. vodík) a oxidantu (např. kyslík) na elektrickou energii, aniž by se sám vybíjel.

💡 Využití

Galvanické články hrají klíčovou roli v moderní společnosti a jejich využití je velmi široké:

Baterie: Jsou základem všech typů baterií, od malých knoflíkových baterií po velké průmyslové akumulátory. Poskytují přenosný zdroj energie pro elektronická zařízení, hračky, dálkové ovladače a mnoho dalších aplikací.
Automobilový průmysl: Olověný akumulátor je standardním zdrojem pro startování spalovacích motorů a napájení elektrických systémů v automobilech. V elektromobilech a hybridních vozidlech se stále více uplatňují lithium-iontové baterie.
Přenosná elektronika: Mobilní telefony, notebooky, tablety, chytré hodinky a další přenosná zařízení by bez dobíjecích galvanických článků nemohla existovat.
Energetika a skladování energie: Velké bateriové systémy založené na galvanických článcích se používají pro skladování energie z obnovitelných zdrojů (např. solární panely, větrné elektrárny) a pro stabilizaci elektrické sítě.
Zdravotnictví: Používají se v implantátech, jako jsou kardiostimulátory, a v přenosných lékařských přístrojích.
Senzory a měřicí přístroje: Některé typy galvanických článků se využívají jako senzory pro měření koncentrace látek nebo jako součásti analytických přístrojů.
Palivové články: Představují slibnou technologii pro budoucí doprava (např. vodíkový automobil) a stacionární výrobu elektřiny s minimálními emisemi.

🔍 Pro laiky

Představte si, že máte dvě různé kovové lžičky – jednu zinkovou a druhou měděnou. Kdybyste je obě ponořili do sklenice s vodou, kde jsou rozpuštěné nějaké soli, a pak je propojili drátkem, stane se něco zajímavého. Zinková lžička "pustí" své maličké elektrony do drátku a ty elektrony pak putují k měděné lžičce. Tento pohyb elektronů drátkem je vlastně elektrický proud!

Galvanický článek je přesně tohle, jen je to udělané chytřeji. Máme dvě "nádobky" (říkáme jim poločlánky), v každé je jiná kovová lžička (elektroda) a jiná slaná voda (elektrolyt). Aby elektrony mohly putovat, ale slané vody se nesmíchaly, máme mezi nádobkami speciální "most" (solný můstek), který propouští jen maličké ionty, aby se vyrovnaly náboje.

Takže jedna lžička (anoda) dává elektrony pryč a druhá lžička (katoda) je přijímá. Když se elektrony pohybují drátkem z jedné lžičky na druhou, můžeme do drátku zapojit třeba malou žárovku a ta se rozsvítí! Celý tento proces je vlastně přeměna chemické energie (co se děje ve slaných vodách a lžičkách) na elektrickou energii. Protože tato reakce probíhá sama od sebe, říkáme, že je spontánní. Je to jako malá, chemická elektrárna.

Zdroje