Chémia a elektrina

    Chemické reakcie sú vždy spojené s výmenou elektrónov. Elektróny ako nositelia záporného náboja tvoria elektrický prúd. Preto určité vhodné chemické reakcie môžeme využiť ako zdroj elektriny. Na princípe premeny chemickej energie na elektrickú pracujú galvanické články a batérie (tužkové baterky, štvorcové baterky, autobatérie). Elektrický prúd naopak môže vyvolať chemické zmeny v roztokoch a taveninách látok.

                Elektrického prúdu sa využíva pri elektrolýze, galvanickom pokovovaní, elektroforéze, elektroanalýze, výrobe monočlánkov a batérií a inde.

Obr.    Model atómu

- elektrón, častica so záporným nábojom

- protón, častica s kladným nábojom

- neutrón, častica bez náboja

    Atóm je častica zložená z jadra a obalu. Obal tvoria elektróny (u vodíka jeden elektrón), ktoré vedú elektrický prúd v kovoch. Ak stratí atóm jeden alebo viac elektrónov, začne prevládať kladný náboj jadra a vzniká kladne nabitá častica - katión.

     Ak získa atóm jeden alebo viac elektrónov, vzniká záporne nabitá častica - anión. Katióny a anióny vedú elektrický prúd v roztokoch a taveninách elektrolytov. Neutróny sú častice bez náboja a na vodivosti sa nezúčastňujú.

Laclancheov galvanický článok

Obr.   Laclancheov článok

1 – burel (oxid manganičitý)

2 – salmiak (cklorid amónny)

3 – elektróda zo zinku

4 – elektróda z uhlíku

    Laclancheov článok je najpoužívanejším chemickým zdrojom elektrickej energie. Napätie článku je 1,5 V. Tri takéto články tvoria známu štvorcovú batériu s napätím 4,5V.

     Ak zapojíme článok do elektrického obvodu prebiehajú elektrochemické procesy, ktoré spôsobujú vznik elektrického prúdu a postupné vyčerpávanie článku.

     Zápornú elektródu článku tvorí dutý zinkový valec, kladnú elekródu uhlíkový kolík, ako elektrolyt slúži chlorid amónny. Burel je depolarizátor (predlžuje životnosť článku). Pri konštrukcii starších typov článkov sa často používali aj ťažké kovy (Ni, Cd). Tieto predlžovali životnosť a zlepšovali niektoré vlastnosti článku. Ťažké kovy sú však toxické, poškodzujú prírodu a zdravie človeka, preto sa od ich využitia upúšťa.

Pokus    Elektrolýza NaCl

     V nádobe s objemom asi 0,5 l priprav roztok kuchynskej soli vo vode. Roztok dôkladne premiešaj, aby sa všetka soľ rozpustila. Uhlíkové (železné, medené) elektródy upevni do stojana (stojan zhotovíme tak, že ceruzku, alebo drôt zapichneme do plastelíny). Elektródy spoj vodivo s 9 V batériou, do obvodu zapoj dve bicyklové žiarovky.

Obr.    Schéma  elektrického obvodu využitého pri elektrolýze NaCl

- zdroj 9 V

- dve žiarovky

- vodiče

- dve elektródy (katóda je elektróda so záporným nábojom, lebo priťahuje katióny - častice s kladným nábojom)

    Žiarovky v elektrickom obvode svietia, čo je dôkazom prechodu elektrického prúdu roztokom elektrolytu. Pri elektródach sa uvoľňujú plyny - vodík na katóde a chlór na anóde. Pri katóde vzniká hydroxid sodný a pri anóde kyselina chlorovodíková.

Chemické reakcie   Elektrolýza NaCl

K(-)                        Na⁺ + H₂O            ===> NaOH + H⁺

                               H⁺     +   1e-          ===> H

                               2H                          ===> H₂

A(+)                       Cl^-     - 1e-              ===> Cl

                               2Cl                          ===> Cl₂

                               Cl₂    + H₂O          ===> HCl + HClO

     Kyselina a hydroxid sa dajú dokázať farebným indikátorom, vodík skúškou horenia. Priestor medzi dvoma elektródami sa dá oddeliť škrupinou vajca. Škrupina slúži ako polopriepustná membrána - diafragma, bráni miešaniu produktov elektrolýzy, nebráni však prechodu elektrického prúdu (prechodu aniónov).

Pokus    Citrón ako zdroj prúdu

     Na pokus potrebuješ čerstvý citrón, zariadenie na meranie elektrického napätia (voltmeter), medený a oceľový drôtik. Drôty z mede a ocele slúžia ako elektródy, elektrolytom je šťava citróna obsahujúca vodu, kyselinu citrónovú a iné látky. Drôty zapichni do citróna a napoj ich na voltmeter, sleduj výchylku

Obr.    Monočlánok z citrónu  

1-citrón

2-medená elektróda

3-oceľová elektróda

4-voltmeter

     Medzi medenou a oceľovou elektródou vzniká napätie, ktoré odmeriame voltmetrom. Na elektródach prebiehajú elektrochemické procesy, v dôsledku čoho vzniká elektrické napätie. V dôsledku chemických zmien sa takýto článok postupne vyčerpá. Podobný zdroj napätia si môžeme zhotoviť aj vonku zo zinkového a medeného plechu, ktoré zakopeme do zeme vo vzdialenosti 50 cm a zem medzi nimi polejeme vodou. Podľa plochy plechov môžeme získať napätie až niekoľko desiatok voltov.