Budowa i zastosowanie ogniw galwanicznych

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 ok. 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 (elektrod) i spełniający warunek, że po połączeniu półogniw zewnętrznym przewodnikiem metalicznym następuje w nim przepływ elektronów.

Wytwarzanie prądu elektrycznego w ogniwach osiągamy w wyniku reakcji chemicznej jakie zachodzą na elektrodach ogniwa. Tymi reakcjami są reakcje utleniania i redukcji, które zachodzą w izolowanych od siebie naczyniach. Przykładami ogniw są różnego rodzaju elektrochemiczne źródła energii dostępne w handlu (ogniwa, baterie, akumulatory). W jaki sposób pracuje ogniwo galwaniczne i akumulator dowiesz się w tym rozdziale

Ogniwo galwaniczne jest to urządzenie zamieniające bezpośrednio energię chemiczna na energię elektryczną prądu stałego. Proces ten następuje w wyniku reakcji elektrochemicznych (tzn. reakcji chemicznych z oddawaniem lub przyłączaniem elektronów).Ogniwo zasadniczo składa się z dwóch elektrod zanurzonych w roztworze odpowiedniego elektrolitu (tzn. substancji, której cząsteczki w roztworze ulegają dysocjacji elektrolitycznej, czyli rozpadowi na pary jonów dodatnich i ujemnych). Właśnie jony powstałe w wyniku dysocjacji warunkują powstawanie na powierzchniach elektrod podwójnych warstw elektrycznych. Wskutek tego elektroda zyskuje pewien potencjał względem roztworu (tzw. napięcie kontaktowe). Połączenie zewnętrznym przewodnikiem elektrod o różnym potencjale względem roztworu, zanurzonych w roztworze elektrolitycznym, powoduje przepływ prądu przez przewodnik.

Ogniwo galwaniczne – ogniwo, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą, a elektrolitem. Dwie elektrody zanurzone w elektrolicie (półogniwa) tworzą ogniwo galwaniczne. Różnica potencjałów elektrod gdy przez ogniwo nie płynie prąd jest równa sile elektromotorycznej ogniwa (SEM).

Najprostsze w budowie jest historyczne ogniwo Volty. płytki cynkowa i miedziana zanurzone w roztworze wodnym kwasu siarkowego (VI). Obwód zamknięty: - Zn | H2SO4 | Cu +. Należy do jednych z najstarszych ogniw galwanicznych. Siła elektromotoryczna ogniwa wynosi około 1,1 V.
Zasada działania [edytuj]

Kwas siarkowy występuje w roztworze w formie zdysocjowanej:
H2SO4 + 2 H2O → 2 H3O+ + SO42-

Na elektrodzie cynkowej zachodzi utlenianie jej materiału do kationów Zn+2, które przechodzą do roztworu, gdzie przeciwjonami dla nich są aniony siarczanowe SO42-, pochodzące z dysocjacji kwasu siarkowego Na elektrodzie miedzianej zachodzi reakcja redukcji jonów hydroniowych do gazowego wodoru.

Sumarycznie procesy zachodzące na elektrodach sprowadzają się do:
elektroda cynkowa: Zn → Zn2+ + 2e
elektroda miedziana: 2 H+ + 2e → H2

zaś jony siarczanowe nie uczestniczą w gruncie rzeczy w całym procesie, spełniając tylko rolę przeciwjonów dla jonów hydroniowych i cynkowych.

Budowa i zasada działania
Akumulatory są jedynym urządzeniem umożliwiającym gromadzenie energii elektrycznej w większej ilości. Akumulatory są to ogniwa elektrolityczne, które stają się źródłem prądu po ich naładowaniu, to jest po przepuszczeniu przez nie prądu stałego w ciągu pewnego czasu. W czasie ładowania następuje elektroliza elektrolitu i zachodzą zmiany chemiczne masy czynnej płyt akumulatora.

Zastosowanie praktyczne znalazły dwa typy akumulatorów:
- Kwasowe (ołowiowe)
- Zasadowe systemu Edisona (żelazo-nikiel) i systemu Jungnera (kadmowo-niklowe)

Akumulatory zasadowe są stosowane rzadziej od kwasowych. Są bowiem kosztowniejsze (1,5...2,5 razy), mają mniejszą SEM i wykazują większe wahania napięcia podczas wyładowania i ładowania oraz mniejszą sprawność. Są za to trwalsze od ołowiowych, mogą być całkowicie wyładowane, dobrze znoszą zwarcia, są odporniejsze na wstrząsy i nie wymagają tak starannej obsługi.

Ogniwa dzielimy na pierwotne i wtórne. Pierwsze po wyczerpaniu nie nadają się do dalszego użytkowania, drugie można regenerować przez ładowanie.

Ogniwa w zastosowaniu praktycznym
Ogniwa dzielimy na pierwotne i wtórne. Pierwsze po wyczerpaniu nie nadają się do dalszego użytkowania, drugie można regenerować przez ładowanie. Przykładem ogniwa pierwotnego jest ogniwo Lecklanche'go. Ogniwami wtórnymi są akumulatory.

Ogniwa wtórne
Akumulator ołowiony - jest szeroko stosowanym ogniwem wtórnym. Wykorzystuje się go w samochodach, pociągach, laboratoriach jako źródło prądu stałego.

Ogniwa galwaniczne odegrały fundamentalną rolę w początkowym okresie rozwoju nauki o prądzie elektrycznym. Były też przedmiotem licznych badań zmierzających do ich udoskonalenia. W toku tego procesu powstały nie tylko nowe typy ogniw, ale również odwracalne ogniwa galwaniczne, czyli akumulator, którego idea narodziła się zaraz po zbudowaniu stosu Volty. W pełni użyteczne i dziś szeroko stosowane są akumulatory ołowiowe zbudowane w 1859 r. przez G. Plante.

Obecnie człowiek nie jest w stanie obyć się bez ogniw galwanicznych. Potrzebne są mu zarówno w życiu codziennym: do rozrywki, pracy, a także w najśmielszych przedsięwzięciach związanych z pogłębianiem wiedzy o świecie: począwszy od użycia ich w laboratoriach, a kończąc na najnowszych sondach kosmicznych. Dalszy rozwój ogniw wiąże się przede wszystkim ze zwiększaniem ich wydajności, w celu użycia ich do produkcji energii na masową skalę, a co za tym idzie do redukcji zanieczyszczeń środowiska, spowodowanych pracą konwencjonalnych elektrowni węglowych.