úvod
Zapichni do citróna pozinkovaný klinec a kúsok medeného drôtu a pripoj k nim voltmeter. Ukáže asi 0,9 V. Keď zapojíš tri takéto citróny za sebou, rozsvietia malú LED. V citróne nevzniká elektrina z ničoho: zinok sa rozpúšťa a odovzdáva elektróny, ktoré tečú drôtom k medi. Takému zdroju prúdu sa hovorí galvanický článok. V tejto lekcii si ho postavíš a zistíš, od čoho závisí jeho napätie.
teória
Galvaniho žaba a Voltov stĺp
Taliansky lekár Luigi Galvani si okolo roku 1780 všimol, že stehienka mŕtvej žaby sa trhnú, keď sa ich nerv a sval dotkne oblúk z dvoch rôznych kovov. Myslel si, že objavil elektrinu ukrytú v živočíchoch. Fyzik Alessandro Volta tvrdil, že prúd vzniká medzi dvoma rôznymi kovmi a žabie stehienko je len citlivý ukazovateľ. Svoju pravdu dokázal v roku 1800: poukladal na seba kotúčiky zinku a medi a medzi ne vložil kúsky látky namočené v slanej vode. Voltov stĺp bol prvý zdroj stáleho elektrického prúdu. Na počesť Voltu sa jednotka napätia volá volt.
teória
Z čoho sa skladá článok
Galvanický článok potrebuje:
- dva rôzne kovy, ktoré sa volajú elektródy,
- elektrolyt, roztok s iónmi, do ktorého sú elektródy ponorené,
- vodič (drôt), ktorý elektródy spája mimo roztoku.
Kov, ktorý je v rade napätia viac vľavo, ochotnejšie odovzdáva elektróny. Oxiduje sa a pomaly sa rozpúšťa, a elektróny, ktoré v ňom zostanú, z neho robia záporný pól. Ušľachtilejší kov je kladný pól: na ňom elektróny z drôtu prijímajú katióny z roztoku a redukujú sa. Elektróny tečú drôtom od záporného pólu ku kladnému. Roztokom elektróny neprechádzajú, tam sa pohybujú ióny. Prečo kovy odovzdávajú elektróny rôzne ochotne, vysvetľuje lekcia Rad napätia kovov.
teória
Daniellov článok
Spoľahlivý článok postavil v roku 1836 anglický chemik John Frederic Daniell. Zinková elektróda je v roztoku síranu zinočnatého a medená v roztoku síranu meďnatého. Oba roztoky spája soľný mostík, napríklad prúžok papiera namočený v roztoku soli. Na zinku a na medi prebiehajú tieto deje:
- záporný pól: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ (zinok sa rozpúšťa, oxidácia),
- kladný pól: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu (na medi sa vylučuje meď, redukcia).
Daniellov článok dá napätie asi 1,1 V. Spolu je to tá istá reakcia, ktorú poznáš zo zinku v modrej skalici: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. V kadičke sa však elektróny odovzdajú priamo a energia sa uvoľní ako teplo. V článku musia elektróny prejsť drôtom, a tak môžu rozsvietiť žiarovku alebo pohnúť motorčekom.
teória
Od čoho závisí napätie
Čím ďalej sú dva kovy od seba v rade napätia, tým vyššie napätie článok dá. Zinok a meď dajú asi 1,1 V, železo a meď menej, asi 0,8 V, horčík a striebro vyše 3 V. Dva rovnaké kovy dajú napätie 0 V. Ak potrebuješ vyššie napätie, zapoj viac článkov za sebou: ich napätia sa sčítajú. Tak to urobil aj Volta vo svojom stĺpe.
vyskúšaj si
Postav článok
ľavá elektróda (čierny vodič)
pravá elektróda (červený vodič)
Voltmeter ukazuje 1,10 V. Záporný pól (anóda) je Zn, kladný pól (katóda) je Cu.
Ideálny článok s roztokmi 1 mol/dm³, skutočný ukáže o niečo menej.
Úloha 1 z 5: Ktorá elektróda je záporným pólom článku? Ťukni na ňu pod obrázkom.
Pri každej dvojici kovov sa pýtaj: ktorý z nich je v rade napätia viac vľavo? Ten je záporným pólom a rozpúšťa sa. Voltmeter ukáže kladné napätie, keď je jeho červený (kladný) vodič na kladnom póle. Ak vodiče zameníš, ukáže rovnaké číslo so znamienkom mínus.
teória
Citrónová batéria
V citrónovej batérii je záporným pólom zinok pozinkovaného klinca a kladným pólom meď. Elektrolytom je kyslá šťava citróna. Jeden citrón dá asi 0,9 V, no len veľmi slabý prúd, menej ako jeden miliampér. Na červenú LED, ktorá potrebuje asi 2 V, treba zapojiť tri citróny za sebou: drôt vedie vždy od medi jedného citróna k zinku ďalšieho. Energiu dodáva zinok, citrón poskytne len ióny. Rovnako by fungoval zemiak alebo pohár octu.
Pokus doma: citrónová batéria. Do troch citrónov zapichni po jednom pozinkovanom klinci a kúsku medeného drôtu tak, aby sa vo vnútri nedotýkali. Citróny pospájaj vodičmi s krokosvorkami za sebou a na koniec pripoj LED (dlhšia nožička na meď). Ak nesvieti, otoč LED. Citróny po pokuse nejedz, vyhoď ich do koša, šťava obsahuje rozpustený zinok.
teória
Korózia ako nechcený článok
Galvanický článok vznikne aj tam, kde ho nechceme. Keď sa železo dotýka ušľachtilejšieho kovu, napríklad medi alebo cínu, a na mieste styku je vlhkosť so soľou, železo sa stane záporným pólom a hrdzavie rýchlejšie. Naopak zinok je menej ušľachtilý ako železo. Na pozinkovanom plechu sa preto oxiduje najprv zinok a železo chráni, aj keď je vrstva poškriabaná. Na lode a potrubia sa pripevňujú bloky zinku alebo horčíka, obetné anódy, ktoré sa rozpúšťajú namiesto ocele. Viac o korózii v lekcii Železo. Ako zinok a meď, ktoré sa dotýkajú v roztoku, vytvoria malý galvanický článok, ukazuje pokus Zliatiny mince.
Polčlánky, anóda a katóda
Každá časť článku, kov ponorený do roztoku svojich iónov, je polčlánok. Elektróda, na ktorej prebieha oxidácia, je anóda. Elektróda, na ktorej prebieha redukcia, je katóda. V galvanickom článku je anóda záporný pól a katóda kladný pól. Pri elektrolýze je to naopak, ako ukáže lekcia Elektrolýza. Spoľahlivé pravidlo: anóda je vždy tam, kde je oxidácia.
Článok sa zapisuje skrátene, anóda vľavo, katóda vpravo, zvislá čiara je rozhranie kovu a roztoku a dvojitá čiara soľný mostík:
Zn | Zn²⁺ ‖ Cu²⁺ | Cu
Soľným mostíkom putujú anióny k anóde a katióny ku katóde. Pri anóde totiž pribúdajú katióny Zn²⁺ a pri katóde ubúdajú katióny Cu²⁺, a ióny z mostíka udržia oba roztoky elektricky neutrálne.
Výpočet napätia
Napätie článku za štandardných podmienok vypočítaš zo štandardných elektródových potenciálov:
U° = E°(katóda) − E°(anóda)
| článok | výpočet | U° |
|---|---|---|
| Zn a Cu | 0,34 − (−0,76) | 1,10 V |
| Fe a Cu | 0,34 − (−0,44) | 0,78 V |
| Zn a Ag | 0,80 − (−0,76) | 1,56 V |
| Mg a Cu | 0,34 − (−2,37) | 2,71 V |
| Zn a Cl₂ | 1,36 − (−0,76) | 2,12 V |
Koeficienty v rovnici napätie nemenia: dva atómy striebra na jeden atóm zinku neznamenajú dvojnásobný potenciál. Takto vypočítané napätie je najvyššie, aké článok môže dať bez prúdu. Volá sa aj elektromotorické napätie. Keď prúd tečie, napätie trochu klesne.
V citróne nie sú meďnaté ióny. Na medenej elektróde sa preto redukujú vodíkové katióny z kyseliny citrónovej: 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂. Meď je len vodič a citrón dá menej ako Daniellov článok. Napätie článku závisí aj od koncentrácií iónov. Ako článok pracuje, koncentrácie sa menia a napätie klesá, a keď reakcia dosiahne rovnováhu, článok je vybitý.
rozšírenie Žaba, stĺp a cisár
Spor Galvaniho a Voltu rozdelil vtedajších vedcov. Galvani veril v „živočíšnu elektrinu“, ktorú vyrábajú nervy a svaly. Volta tvrdil, že elektrina vzniká medzi dvoma kovmi a vlhkou látkou. Mali pravdu obaja: nervy naozaj vedú elektrické signály, len prúd v Galvaniho pokusoch spôsobil kovový oblúk.
Volta predviedol svoj stĺp v roku 1801 v Paríži samotnému Napoleonovi, ktorý ho odmenil medailou a neskôr titulom grófa. Batérie z mnohých článkov za sebou sa rýchlo rozšírili po Európe a chemici s nimi začali rozkladať látky, o ktorých sa myslelo, že sú prvky. Batérie zdokonaľoval aj Štefan Anián Jedlík, rodák zo Zemného pri Nových Zámkoch, ktorý zostrojil aj jeden z prvých elektromotorov.
teória
Časté chyby
- „Energia citrónovej batérie je v citróne.“ Energiu dodáva zinok, ktorý sa oxiduje. Citrón poskytne len ióny, ktoré vedú prúd.
- „Elektróny tečú cez roztok.“ Elektróny tečú drôtom. Roztokom a soľným mostíkom putujú ióny.
- „Anóda je vždy kladná.“ V galvanickom článku je anóda záporná, pri elektrolýze kladná. Anóda je vždy tam, kde prebieha oxidácia.
- „Dva rovnaké kovy dajú tiež napätie.“ Dva rovnaké kovy v rovnakom roztoku majú rovnaký potenciál a napätie je 0 V.
- „Citróny vedľa seba zvýšia napätie.“ Napätia sa sčítajú len pri zapojení za sebou.
Ako sa redoxná reakcia dá aj obrátiť, keď do roztoku pustíš prúd zo zdroja, ukazuje ďalšia lekcia Elektrolýza.