Galvaaninen kenno
Kemiallinen kenno muuntaa kemiallisen energian sähköenergiaksi. Useimmat akut ovat kemiallisia kennoja. Akun sisällä tapahtuu kemiallinen reaktio, joka saa aikaan sähkövirran kulun.
Paristoja on kahta päätyyppiä - ladattavia ja ei-ladattavia.
Akku, joka ei ole ladattava, antaa sähköä, kunnes sen sisältämät kemikaalit on käytetty loppuun. Sen jälkeen siitä ei ole enää hyötyä. Sitä voidaan oikeutetusti kutsua "käytä ja heitä".
Ladattava akku voidaan ladata uudelleen johtamalla sähkövirta taaksepäin akun läpi; sen jälkeen sitä voidaan käyttää uudelleen tuottamaan lisää sähköä. Ranskalainen tiedemies Gaston Plante keksi nämä ladattavat akut vuonna 1859.
Paristoja on monen muotoisia ja kokoisia, hyvin pienistä leluissa ja kameroissa käytettävistä paristoista autoissa käytettäviin paristoihin ja jopa suurempiin paristoihin. Sukellusveneissä tarvitaan erittäin suuria akkuja.
Kemialliset solutyypit
- Yksinkertainen solu
- Kuivakenno
- Märkä kenno
- Polttokenno
- Aurinkokenno
- Sähköinen kenno
Sähkökemialliset kennot
Erästä erittäin tärkeää hapettumis- ja pelkistymisreaktioiden luokkaa käytetään tuottamaan hyödyllistä sähköenergiaa akuissa. Yksinkertainen sähkökemiallinen kenno voidaan valmistaa kupari- ja sinkkimetalleista ja niiden sulfaattiliuoksista. Reaktiossa elektronit voivat siirtyä sinkistä kupariin sähköä johtavaa reittiä pitkin hyödyllisenä sähkövirtana.
Sähkökemiallinen kenno voidaan luoda sijoittamalla metalliset elektrodit elektrolyyttiin, jossa kemiallinen reaktio joko käyttää tai tuottaa sähkövirtaa. Sähkövirtaa tuottavia sähkökemiallisia kennoja kutsutaan volttikennoiksi tai galvaanisiksi kennoiksi, ja tavalliset akut koostuvat yhdestä tai useammasta tällaisesta kennosta. Muissa sähkökemiallisissa kennoissa käytetään ulkoisesti syötettyä sähkövirtaa sellaisen kemiallisen reaktion käynnistämiseen, joka ei tapahdu spontaanisti. Tällaisia kennoja kutsutaan elektrolyyttisiksi kennoiksi.
Voltaiset kennot
Sähkökemiallinen kenno, joka aiheuttaa ulkoisen sähkövirran kulun, voidaan luoda käyttämällä mitä tahansa kahta eri metallia, koska metalleilla on erilainen taipumus menettää elektroneja. Sinkki menettää elektroneja helpommin kuin kupari, joten sinkki- ja kuparimetallien sijoittaminen niiden suolojen liuoksiin voi aiheuttaa elektronien virtauksen ulkoisen johtimen läpi, joka johtaa sinkistä kupariin. Kun sinkkiatomi antaa elektroneja, siitä tulee positiivinen ioni ja se menee vesiliuokseen, jolloin sinkkielektrodin massa pienenee. Kuparin puolella saadut kaksi elektronia mahdollistavat sen, että se muuttaa liuoksesta tulevan kupari-ionin varauksettomaksi kupariatomiksi, joka laskeutuu kuparielektrodille, jolloin sen massa kasvaa. Nämä kaksi reaktiota kirjoitetaan tyypillisesti seuraavasti
Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e
Cu2+(aq) + 2e ---> Cu(s)
Suluissa olevat kirjaimet ovat vain muistutus siitä, että sinkki siirtyy kiinteästä aineesta (s) vesiliuokseen (aq) ja kupari päinvastoin. Sähkökemian kielessä on tyypillistä kutsua näitä kahta prosessia "puolireaktioiksi", jotka tapahtuvat kahdessa elektrodissa.
| Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e |
|
| Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s) |
Jotta volttikenno voisi jatkaa ulkoisen sähkövirran tuottamista, liuoksessa olevien sulfaatti-ionien on siirryttävä oikealta vasemmalle, jotta elektronivirta ulkoisessa virtapiirissä tasapainottuisi. Itse metalli-ionien liikkuminen elektrodien välillä on estettävä, joten jonkinlaisen huokoisen kalvon tai muun mekanismin on huolehdittava siitä, että negatiiviset ionit liikkuvat elektrolyytissä valikoivasti oikealta vasemmalle.
Tarvitaan energiaa, jotta elektronit siirtyisivät sinkistä kuparielektrodiin, ja volttikennosta saatavaa energiamäärää varauksen yksikköä kohti kutsutaan kennon sähkömotoriseksi voimaksi (emf). Energia latausyksikköä kohti ilmaistaan voltteina (1 voltti = 1 joule/coulomb).
Jotta solusta saataisiin energiaa, on selvästikin saatava enemmän energiaa vapautumaan sinkin hapettumisesta kuin kuparin pelkistymiseen kuluu. Kennosta voidaan saada rajallinen määrä energiaa tästä prosessista, sillä prosessia rajoittaa joko elektrolyytissä tai metallielektrodeissa käytettävissä olevan materiaalin määrä. Jos esimerkiksi kuparin puolella olisi yksi mooli sulfaatti-ioneja SO42-, prosessi rajoittuu kahden moolin elektronien siirtämiseen ulkoisen virtapiirin kautta. Elektronimoolin sisältämää sähkövarauksen määrää kutsutaan Faradayn vakioksi, ja se on yhtä suuri kuin Avogadron luku kertaa elektronin varaus:
Faradayn vakio = F = ANe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10 -19= 96,485 Coulombia/mooliin.
Voltakennon energiantuotto saadaan kertomalla kennon jännite kertaa siirrettyjen elektronien moolien määrä kertaa Faradayn vakio.
Sähköenergian tuotos = nFE
Kennon emf Ecell voidaan ennustaa kahden metallin vakioelektrodipotentiaalien perusteella. Sinkki-kupari-kennolle vakio-olosuhteissa laskettu kennopotentiaali on 1,1 volttia.
Yksinkertainen solu
Yksinkertaisessa kennossa on tyypillisesti kuparia (Cu) ja sinkkiä (Zn) sisältäviä levyjä laimeassa rikkihapossa. Sinkki liukenee ja kuparilevylle ilmestyy vetykuplia. Nämä vetykuplat häiritsevät virran kulkua, joten yksinkertaista kennoa voidaan käyttää vain lyhyen aikaa. Tasaisen virran saamiseksi tarvitaan depolarisaattori (hapettava aine) hapettamaan vety. Danielin kennossa depolarisaattori on kuparisulfaatti, joka vaihtaa vedyn kupariin. Leclanchen akussa depolarisaattori on mangaanidioksidi, joka hapettaa vedyn vedeksi.
Yksinkertainen solu
Daniel solu
Englantilainen kemisti John Frederick Daniell kehitti vuonna 1836 volttikennon, jossa käytettiin sinkkiä ja kuparia sekä niiden ioniliuoksia.
Avain
- Sinkkitanko = negatiivinen liitin
- 2HSO4 = laimea rikkihappoelektrolyytti
- Huokoinen kattila erottaa kaksi nestettä toisistaan
- CuSO4 = kuparisulfaattidepolarisaattori
- Kuparipannu = positiivinen pääte
Kaavio Danielin solusta
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on kemiallinen solu ja mikä on sen tarkoitus?
A: Kemiallinen kenno on laite, joka muuntaa kemiallista energiaa sähköenergiaksi. Sen tarkoituksena on tuottaa sähkövirtaa kemiallisen reaktion avulla.
K: Mitä ovat useimmat paristot?
V: Useimmat paristot ovat kemiallisia kennoja.
K: Mitä tapahtuu pariston sisällä, mikä saa sähkövirran kulkemaan?
V: Pariston sisällä tapahtuu kemiallinen reaktio, joka saa aikaan sähkövirran kulun.
K: Kuinka monta paristotyyppiä on olemassa ja mitä ne ovat?
V: Paristoja on kahta päätyyppiä - ladattavia ja ei-ladattavia.
K: Mitä tapahtuu, kun ei-ladattava akku on käytetty loppuun?
V: Ei ladattava paristo tuottaa sähköä, kunnes sen sisältämät kemikaalit on käytetty loppuun. Silloin se ei ole enää käyttökelpoinen, ja se voidaan heittää pois.
K: Kuka keksi ladattavat paristot ja milloin?
V: Ladattavat paristot keksi ranskalainen tiedemies Gaston Plante vuonna 1859.
K: Voivatko paristot olla erikokoisia ja mikä on esimerkki laitteesta, joka tarvitsee suuren pariston?
V: Kyllä, paristoja voi olla monen muotoisia ja kokoisia. Esimerkki laitteesta, joka vaatii suuren akun, on sukellusvene.
