Kouzlo chemie v autobateriích
Obzvlášť během zimního období se nejednomu řidiči stane, že své auto nastartuje až s notnou dávkou klení a naříkání. To v tom lepším případě. Někdy autobaterii obměkčí až láskyplné obejmutí, zahřátí a… dobití (od slova tlouct). Co se vlastně autobateriím (nejen) v těchto krušných chvílích honí hlavou?
Elektrický proud, hned po psu nejlepší přítel člověka, s tím rozdílem, že bez proudu moderní člověk žít už nedokáže. Každému je tento jev důvěrně znám, proto jen připomeneme, že je tvořen pohybem nosičů náboje, což mohou být například elektrony, které se uvolňují z atomových obalů chemických prvků. Proud samozřejmě nevzniká jen tak, je potřeba mu dodat trochu té energie. Ale kde ji vzít? Třeba spálit uhlí, vzniklým teplem zahřát vodu a parou pak roztočit turbínu, však to dobře známe. Spousta energie se ale cestou ztratí. Naproti tomu při elektrochemických reakcích získáme elektrickou energii přímo.
U těchto reakcí jde v principu o výměnu elektronů mezi jednotlivými reaktanty. Pohyb elektronů - elektrický proud - je onou energií, kterou vytěžíme namísto tepla, pokud reakce probíhá samovolně (v případě baterií). Pokud samovolně neprobíhá, musíme elektrický proud naopak dodávat (elektrolýza, pokovování).
Základní elektrochemický systém, např. článek baterie, je tvořen dvěma elektrodami z různých materiálů a vodivým prostředím, zvaným elektrolyt. Jedna z elektrod musí být schopna elektrony uvolňovat a druhá naopak ochotně přijímat. Proto se musí holky nějak lišit, aby mezi nimi zela hluboká názorová propast, rozdílný pohled na život a na svět a tím pádem aby mezi nimi bylo napětí … Zkrátka, elektrochemickým článkem prochází proud, pokud v něm existuje rozdíl elektrodových potenciálů a iontově vodivé prostředí. Některé kovy se lépe cítí v čistém stavu (ušlechtilé kovy - stříbro, zlato, platina), jiné naopak ochotně přecházejí do stavu sloučeniny (železo, olovo), jsou-li vyzvány třeba půvabnou žíravinou. Pokud svedeme dohromady takto rozdílné kovy, bude mezi nimi potenciálový rozdíl neboli napětí, které je hybnou silou chemické reakce.
Konkrétně se můžeme podívat na olověný akumulátor, který běžně používáme v autech. Těžká plastová skřínka v sobě ukrývá uhlíkovou desku pokrytou oxidem olovičitým (PbO2), která zastává funkci jedné z elektrod, a mřížku z čistého olova, hrající roli druhé elektrody. Místo mezi nimi vyplňuje kyselina sírová. Olovo i oxid olovičitý shodně reagují s kyselinou sírovou za vzniku síranu olovnatého (PbSO4). Ovšem drobný rozdíl je v tom, že zatímco olovo uvolňuje své elektrony a dává je k dispozici (olovo se oxiduje), oxid olovičitý elektrony přijímá (redukuje se). Společně tak tvoří tým, který nejlépe funguje právě tehdy, pokud výměně elektronů nestojí nic v cestě.
Pokud není baterie zapojená do obvodu, nic moc se neděje, proud neprochází, elektrody se pouze pokryjí vrstvičkou síranu olovnatého. Jakmile ale obě elektrody propojíme, je to jako otevření stavidel na rybníce – reakce probíhá rychle a proud elektronů (uvolněná energie) se valí z olověné elektrody směrem k druhé. Soustavou prochází elektrický proud.
Ovšem nic netrvá věčně, kyseliny sírové postupně ubývá, naopak se hromadí síran olovnatý a proud slábne. Pak nezbývá, než reakci otočit, tzn. dodat energii ze sítě a způsobit, aby elektrony pobíhaly opačným směrem. Síran olovnatý se bude rozkládat zpět na kyselinu sírovou, olovo a oxid olovičitý. Takto do systému uložíme energii, kterou pak budeme moci znovu použít.
Průběh popsaných procesů je také ovlivněn vnějšími podmínkami. Zda ráno nastartujeme auto, závisí na tom, jak velký proud je baterie schopna vydat. Přestože je nabitá, tj. obsahuje dostatek kyseliny sírové, nemusí být ještě vyhráno, pokud je počasí mrazivé. Napětí zůstává stejné bez ohledu na teplotu, ale vnitřní odpor baterie s klesající teplotou vzrůstá a to, jak víme z Ohmova zákona, vede k poklesu procházejícího proudu. Odpor jedné části baterie, kovových elektrod, sice s klesající teplotou rovněž klesá, ale odpor elektrolytu se snižující se teplotou roste. Takže ve výsledku stejně ostrouháme. Za mrazivého počasí se proto vyplatí své autobaterii občas věnovat pár hřejivých slov.
Víte, že
> první elektrochemický článek sestavil známý italský fyzik Alessandro Volta už v roce 1800? Voltův článek se skládal z měděné a zinkové elektrody ponořené do kyseliny sírové a nesl napětí 1 V.
> se nevyplácí kousat do hliníkových obalů a příborů, pokud máte v zubech amalgámové (směs stříbra a rtuti) plomby? Takto se totiž v ústech vytvoří elektrochemický článek, kde jednu z elektrod tvoří hliník a druhou stříbro z plomby, elektrolytem jsou sliny. Vzniklý elektrický proud pošimrá zubní nerv, který se důrazně ozve.
Autor: Ing. Martin Pém, martin.pem@synthesia.eu
