Galvaanielement
Keemiline rakk muudab keemilise energia elektrienergiaks. Enamik patareisid on keemilised elemendid. Aku sees toimub keemiline reaktsioon, mis põhjustab elektrivoolu voolu.
On olemas kahte peamist tüüpi patareisid - need, mis on laetavad, ja need, mis ei ole laetavad.
Aku, mis ei ole laetav, annab elektrit, kuni selles olevad kemikaalid on ära kasutatud. Siis ei ole sellest enam kasu. Seda võib õigustatult nimetada "kasuta ja viska".
Laetavat akut saab uuesti laadida, juhtides elektrivoolu tagurpidi läbi aku; seejärel saab seda uuesti kasutada, et toota rohkem elektrit. Neid akusid leiutas 1859. aastal prantsuse teadlane Gaston Plante.
Patareisid on mitmesuguse kujuga ja suurusega, alates väga väikestest, mida kasutatakse mänguasjades ja kaamerates, kuni autodes kasutatavate või isegi suuremate patareideni. Allveelaevad vajavad väga suuri patareisid.
Keemiliste rakkude tüübid
- Lihtne lahter
- Kuivelement
- Märg rakk
- Kütuseelement
- Päikesepatarei
- Elektriline rakk
Elektrokeemilised elemendid
Äärmiselt oluline oksüdatsiooni- ja reduktsioonireaktsioonide klass, mida kasutatakse patareides kasuliku elektrienergia saamiseks. Lihtsa elektrokeemilise elemendi saab valmistada vase- ja tsinkmetallidest koos nende sulfaatide lahustega. Reaktsiooni käigus saab elektronid tsingist elektriliselt juhtiva tee kaudu kasulikuks elektrivooluks vasele üle kanda.
Elektrokeemilise elemendi saab luua, paigutades metallelektroodid elektrolüütidesse, kus keemiline reaktsioon kas kasutab või tekitab elektrivoolu. Elektrokeemilisi elemente, mis tekitavad elektrivoolu, nimetatakse voltaelementideks või galvaanilisteks elementideks ning tavalised patareid koosnevad ühest või mitmest sellisest elemendist. Teistes elektrokeemilistes elementides kasutatakse väljastpoolt tulevat elektrivoolu, et käivitada keemiline reaktsioon, mis ei toimuks spontaanselt. Selliseid elemente nimetatakse elektrolüütilisteks elementideks.
Voltaic-elemendid
Elektrokeemilise elemendi, mis põhjustab välise elektrivoolu voolu, saab luua kahe erineva metalliga, kuna metallid erinevad elektronide kaotamise kalduvuse poolest. Tsink kaotab kergemini elektrone kui vask, nii et tsingi ja vase metalli paigutamine nende soolade lahustesse võib põhjustada elektronide voolu läbi välise juhtme, mis viib tsingist vaseni. Kuna tsink aatom annab elektrone, muutub see positiivseks iooniks ja läheb vesilahusesse, vähendades tsinkelektroodi massi. Vase poolel võimaldavad saadud kaks elektroni muuta lahusest pärit vaseiooni laenguta vase aatomiks, mis ladestub vaseelektroodile, suurendades selle massi. Need kaks reaktsiooni kirjutatakse tavaliselt järgmiselt
Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e
Cu2+(aq) + 2e ---> Cu(s)
Sulgudes olevad tähed on lihtsalt meeldetuletus, et tsink läheb tahkest ainest (s) vesilahuseks (aq) ja vask vastupidi. Elektrokeemia keeles on tüüpiline nimetada neid kahte protsessi "poolreaktsioonideks", mis toimuvad kahel elektroodil.
| Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e |
|
| Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s) |
Selleks, et voltaelement jätkaks välise elektrivoolu tekitamist, peavad lahuses olevad sulfaatioonid liikuma paremalt vasakule, et tasakaalustada elektronide voolu välisahelas. Metallioonide endi liikumine elektroodide vahel peab olema takistatud, seega peab mingi poorne membraan või muu mehhanism tagama negatiivsete ioonide selektiivse liikumise elektrolüüdis paremalt vasakule.
Selleks, et sundida elektrone tsinkelektroodilt vaskelektroodile liikuma, on vaja energiat ning voltaelementi energiahulka laenguühiku kohta nimetatakse elemendi elektromotoorseks jõuks (emf). Energiat laenguühiku kohta väljendatakse voltides (1 volt = 1 džauli/kuuli).
On selge, et raku energia saamiseks peab tsingi oksüdeerumisel vabanema rohkem energiat, kui kulub vase redutseerimiseks. Sellelt saab sellest protsessist saada piiratud koguse energiat, kuna protsessi piirab kas elektrolüüdis või metallelektroodides oleva materjali hulk. Näiteks kui vase poolel oleks üks mol sulfaatioone SO42-, siis on protsess piiratud kahe mooli elektronide ülekandmisega läbi väliskontuuri. Elektronide moolis sisalduvat elektrilaengu suurust nimetatakse Faraday konstandiks ja see on võrdne Avogadro arvu ja elektronilaengu korrutisega:
Faraday konstant = F = ANe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10 -19= 96,485 Coulomb/mool
Voltaikelemendi energiakogus on antud elemendi pinge korrutatuna ülekantud elektronide moolarvuga korrutatuna Faraday konstandiga.
Elektrienergia väljund = nFE
Raku emf Ecell võib ennustada kahe metalli standardelektroodipotentsiaalide põhjal. Tsink/vaskelemendi puhul on standardtingimustes arvutatud elemendi potentsiaal 1,1 volti.
Lihtne lahter
Lihtelemendis on tavaliselt vask- (Cu) ja tsinkplaadid (Zn) lahjendatud väävelhappes. Tsink lahustub ja vaskplaadile tekivad vesinikumullid. Need vesinikumullid takistavad voolu läbimist, nii et lihtsat elementi saab kasutada ainult lühikest aega. Pideva voolu tagamiseks on vesiniku oksüdeerimiseks vaja depolaatorit (oksüdeerivat ainet). Danieli elemendis on depolaatoriks vasksulfaat, mis vahetab vesiniku vase vastu. Leclanche'i patareis on depolaatoriks mangandioksiid, mis oksüdeerib vesiniku veeks.
Lihtne lahter
Daniel raku
Inglise keemik John Frederick Daniell töötas 1836. aastal välja voltaelementi, milles kasutati tsinki ja vaske ning nende ioonide lahuseid.
Key
- Tsinkvarras = negatiivne klemm
- 2HSO4 = lahjendatud väävelhappe elektrolüüt
- Poorsed potid eraldavad kaks vedelikku
- CuSO4 = vasesulfaatdepolaator
- Vaskpott = positiivne klemm
Danieli raku skeem
Küsimused ja vastused
K: Mis on keemiline rakk ja mis on selle eesmärk?
V: Keemiline element on seade, mis muundab keemilist energiat elektrienergiaks. Selle eesmärk on toota keemilise reaktsiooni abil elektrivoolu.
K: Mis on enamik patareisid?
V: Enamik patareisid on keemilised elemendid.
K: Mis toimub patarei sees, mis põhjustab elektrivoolu voolu?
V: Patarei sees toimub keemiline reaktsioon, mis põhjustab elektrivoolu voolu.
K: Mitut tüüpi patareisid on olemas ja millised on need?
V: On olemas kahte peamist tüüpi patareisid - need, mis on laetavad, ja need, mis ei ole laetavad.
K: Mis juhtub, kui mitte-laetav aku saab tühjaks?
V: Mitte-laetav aku annab elektrit, kuni selles olevad kemikaalid on ära kasutatud. Siis ei ole sellest enam kasu ja selle võib ära visata.
K: Kes ja millal leiutas laetavad patareid?
V: Taaslaetavad patareid leiutas 1859. aastal prantsuse teadlane Gaston Plante.
K: Kas patareid võivad olla erineva suurusega ja milline on näide seadmest, mis vajab suurt patareid?
V: Jah, patareid võivad olla mitmesuguse kujuga ja suurusega. Näide seadmest, mis vajab suurt akut, on allveelaev.
