SUCHÁ BUŇKA: STRUKTURA A FUNKCE - CHEMIE - 2025

Suchý článek je baterie, jehož elektrolytické médium se skládá z pasty a ne řešení. Uvedená pasta však má určitou úroveň vlhkosti, a proto není přísně suchá.

Malé množství vody je dost pro to, aby se ionty pohybovaly a následně i proud elektronů uvnitř buňky.

Zdroj: Emilian Robert Vicol přes Flickr.

Jeho obrovská výhoda oproti prvním mokrým bateriím je v tom, že jelikož se jedná o elektrolytickou pastu, nelze její obsah rozlit; což byl případ mokrých baterií, které byly nebezpečnější a jemnější než jejich suché protějšky. Vzhledem k nemožnosti rozlití najde suchá buňka použití v mnoha přenosných a mobilních zařízeních.

Na horním obrázku je suchá zinek-uhlíková baterie. Přesněji řečeno jde o moderní verzi zásobníku Georges Leclanché. Ze všech je to nejčastější a snad nejjednodušší.

Tato zařízení představují energetické pohodlí, protože mají v kapse chemickou energii, kterou lze přeměnit na elektřinu; a tak nezávisí na vývodech energie nebo energii dodávané velkými elektrárnami a jejich rozsáhlou sítí věží a kabelů.

Suchá buněčná struktura

Jaká je struktura suché buňky? Na obrázku vidíte jeho kryt, který není ničím jiným než polymerním filmem, ocelí a dvěma terminály, jejichž izolační podložky vyčnívají zepředu.

Je to však pouze vnější vzhled; Uvnitř leží jeho nejdůležitější části, které zaručují jeho správné fungování.

Každý suchý článek bude mít své vlastní vlastnosti, ale bude se brát v úvahu pouze zinek-uhlíkový článek, jehož obecná struktura může být nastíněna pro všechny ostatní baterie.

Baterie se chápe jako spojení dvou nebo více baterií a ty jsou voltickými články, jak bude vysvětleno v budoucí části.

Elektrody

Zdroj: Wikipedia

Horní obrázek ukazuje vnitřní strukturu zinko-uhlíkové baterie. Bez ohledu na to, co je to sopečný článek, vždy by měly existovat (obvykle) dvě elektrody: jedna, z níž se uvolňují elektrony, a druhá, která je přijímá.

Elektrody jsou elektricky vodivé materiály a pro to, aby existoval proud, musí mít obě různé elektronegativity.

Například zinek, bílý cín, který obklopuje baterii, je místem, kde elektrony odcházejí do elektrického obvodu (zařízení), kde je připojen.

Na druhé straně je v celém médiu grafitová uhlíková elektroda; rovněž ponoří do pasty složené z NH ₄ Cl, ZnCl ₂ a MnO ₂.

Tato elektroda je ta, která přijímá elektrony, a všimněte si, že má symbol „+“, což znamená, že je kladným vývodem baterie.

Terminály

Jak je vidět nad grafitovou tyčí na obrázku, je zde kladný elektrický terminál; a níže může vnitřní zinek, ze kterého proudí elektrony, záporný terminál.

To je důvod, proč jsou baterie označeny „+“ nebo „-“, které označují správný způsob jejich připojení k zařízení a umožňují tak jeho zapnutí.

Písek a vosk

I když to není znázorněno, pasta je chráněna polštářkovým pískem a voskovým těsněním, které zabraňuje rozlití nebo kontaktu s ocelí při menších mechanických nárazech nebo míchání.

Funguje

Jak funguje suchá buňka? Začneme tím, že jde o voltaickou buňku, tj. Vyrábí elektřinu z chemických reakcí. Proto uvnitř buněk dochází k redoxním reakcím, kdy druh získává nebo ztrácí elektrony.

Elektrody slouží jako povrch, který usnadňuje a umožňuje vývoj těchto reakcí. V závislosti na jejich náboji může dojít k oxidaci nebo redukci druhu.

Abychom tomu lépe porozuměli, budou vysvětleny pouze chemické aspekty zinek-uhlíkové baterie.

Oxidace zinkové elektrody

Jakmile je elektronické zařízení zapnuto, baterie uvolní elektrony oxidací zinkové elektrody. Toto může být reprezentováno následující chemickou rovnicí:

Zn => Zn ²⁺ + 2e ^-

Pokud je kolem kovu mnoho Zn ²⁺, dojde k pozitivnímu vychýlení náboje, takže nedochází k další oxidaci. Proto musí Zn ²⁺ difundovat skrz pastu směrem ke katodě, kde elektrony vstoupí zpět.

Jakmile elektrony aktivují artefakt, vracejí se na druhou elektrodu: grafitovou, aby našli nějaký chemický druh, který na ni „čeká“.

Redukce chloridu amonného

Jak již bylo zmíněno, existuje NH ₄ Cl a MnO ₂ v těstovinách, látky, které tvoří její pH kyselé. Jakmile elektrony vstoupí, dojde k následujícím reakcím:

2NH ₄ ⁺ + 2e ^- => 2NH ₃ + H ₂

Tyto dva produkty, amoniak a molekulární vodík, NH ₃ a H ₂, jsou plyny, a proto mohou „bobtnat“ baterie v případě, že nebyly prováděny jiné transformace; například následující dva:

Zn ²⁺ + 4NH ₃ => ²⁺

H ₂ + 2MnO ₂ => 2MnO (OH)

Všimněte si, že amoniak se sníží (získané elektrony), aby se stal NH ₃. Tyto plyny pak byly neutralizovány ostatními složkami pasty.

Komplex ²⁺ usnadňuje difúzi iontů Zn ²⁺ směrem ke katodě, a tím zabraňuje „zastavení“ buňky.

Vnější obvod zařízení funguje jako můstek pro elektrony; jinak by nikdy neexistovalo přímé spojení mezi zinkovou plechovkou a grafitovou elektrodou. Na obrázku struktury by tento obvod představoval černý kabel.

Stažení

Suché buňky mají mnoho variant, velikostí a pracovních napětí. Některé z nich nejsou dobíjecí (primární sopečné buňky), zatímco jiné jsou (sekundární sopečné buňky).

Zinko-uhlíková baterie má pracovní napětí 1,5 V. Jejich tvary se mění v závislosti na jejich elektrodách a složení jejich elektrolytů.

Přijde bod, ve kterém všechny elektrolyty reagují, a bez ohledu na to, jak moc oxiduje zinek, nebudou existovat žádné druhy, které by přijímaly elektrony a podporovaly jejich uvolňování.

Dále se může jednat o případ, kdy vzniklé plyny již nejsou neutralizovány a zůstávají pod tlakem uvnitř buněk.

Zinko-uhlíkové baterie a jiné baterie, které nelze dobíjet, musí být recyklovány; protože jeho složky, zejména pokud jde o nikl-kadmium, jsou škodlivé pro životní prostředí znečišťováním půdy a vod.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie. (8. ed.). CENGAGE Učení.
3. Baterie „Dry-Cell“. Obnoveno z: makahiki.kcc.hawaii.edu
4. Hoffman S. (10. prosince 2014). Co je baterie suchého článku? Obnoveno z: upsbatterycenter.com
5. Plevel, Geoffrey. (24. dubna 2017). Jak fungují suché články? Sciencing. Obnoveno z: sciencing.com
6. Woodford, Chris. (2016) Baterie. Obnoveno z: expthatstuff.com.