Kezdőoldal :: Hogy működik az elem?

Hogy működik az elem?

Az elemek olyan kicsiny erőművek, amik maró folyadékba helyezett fémek kémiai oldódása révén nyerik az áramot. Talán kevésbé ismert, de hasonlóan a teában oldódó cukorhoz, a fémek is enyhén oldódnak különféle folyadékokban. Azonban amikor a fémdarabról az oldódás során leválik egy-egy fématom, az nem viszi magával mindegyik elektronját, hanem néhány a fémen marad. Az elektron köztudottan negatív töltésű – így a fémrúd, amin többségbe kerülnek a hátrahagyott elektronok, összességében negatív töltetűvé válik. Más szavakkal: a folyadékban oldódó fém negatív töltést vesz fel. Az elemeket (és akkumulátorokat) ezért elektrokémiai vagy egyszerűen kémiai áramforrásoknak is nevezik.

Elektrolízis

Megfigyelhető, hogy ugyanabban az oldatban különböző anyagok más-más mértékben oldódnak. Azoknak a fémeknek, amik jobban oldódnak, nagyobb lesz a feszültsége is, mint a kevésbé oldódóknak: több részecske válik le róluk, és több elektron gyűlik össze rajtuk. Ha ezeket a „feltöltött” fémeket megfelelő közvetítő anyagok közbeiktatásával kívülről összekötjük egy vezetővel, az elektronok a töltéskiegyenlítődés okán a nagyobb feszültségű fémlaptól a kisebb feszültségű felé mozognak– azaz kialakul az elektromos áram, létrejön egy áramkör. Általánosságban véve, a legtöbb elem és akkumulátor ezen az elven működik.

Ebben a rendszerben a szilárd anyagok, amik a folyadékban töltést vesznek fel, lesznek az elektródok (jobbra az ábrán a sárga téglalapok), a közvetítő sav pedig, amiben oldódnak, az elektrolit (az ábrán az alsó nagy fekete tartály). Azt az elektródot, amelyik jobban oldódik, tekintjük negatív töltésűnek (az ábrán a bal oldali téglalap), a másikat pedig, aminek kisebb lesz a töltöttsége, relatíve pozitívnak. A negatív elektród a katód, a pozitív az anód. Mint láttuk, ha a két elektród kimenetét kívülről összekapcsoljuk, az elektronok (az ábrán a fekete színű (-) részecskék) a negatív töltésű katód felől a pozitív anód irányába áramlanak. Ezzel egy időben, a savas elektrolitokba kerülő pozitív fémionok (fehér színű (+) részecskék) közvetlenül vagy közvetetten szintén az anód irányába mozognak, ahol az oda átkerült elektronokkal lépnek reakcióba. Egy-egy ilyen, két elektródból és egy vagy több elektrolitból álló energiatárolási egységet nevezünk energiacellának.

Az alábbi felsorolásban az látható, hogy a különféle anyagok hány voltra (V) tölthetők fel maró folyadék segítségével:

  • Szén – 0,6 V
  • Réz – 1,2 V
  • Ólom – 1,6 V
  • Nikkel – 1,8 V
  • Vas – 1,9 V
  • Cink – 2,3 V

Egy energiacella összeállításakor két olyan anyagot kell felhasználnunk, amik között a lehető legnagyobb a feszültség-különbség. A kénsavba mártott cink pl. körülbelül 2,3 V-ra töltődik fel, vagy a réz 1,2 V-ra, így a két feszültség-érték különbségeként (2,3 V – 1,2 V) megkapjuk azt az 1,1 V körüli egyenfeszültséget, ami a cink-réz elemekre jellemző. Vagy a szén-cink elemek esetében, ezek elektródjai közötti feszültség-különbég, és így a cella feszültsége 2,3 V – 0,6 V = 1,7 V (a gyakorlatban 1,5 V) körül alakul, és így tovább. (Közismert ugyanakkor, hogy pl. az aranyat szinte egyáltalán nem oldják a savak, így annak feszültsége lényegében 0 V lesz.)

Az elemek típusait általában aszerint nevezik el, hogy az elektródok és az elektrolitok milyen anyagokból készülnek. Nézzük meg az említett szén-cink elem példáján keresztül vázlatosan, hogy milyen kémiai reakciók zajlanak le az elemekben!

Szén-cink elemek

A legelterjedtebb hordozható áramforrás a szén-cink alapú ceruzaelem. Georges Leclanché francia kémikus készítette el 1866-ban, de a technológia ma is nagyon népszerű világszerte – ez a mindmáig stabilnak számító üzemelésének és a minimális előállítási költségének köszönhető. A szén-cink elem elnevezése onnan ered, hogy a cella egyik elektródja a henger alakú cink tartály, a másik a benne elhelyezett szén rúd. A szénrúd mangán-dioxiddal (barnakővel) van körülvéve. Az elektrolit ammónium-klorid, amit a jobb vezethetőség és nagyobb biztonság kedvéért változó összetételű őrleménnyel átitatva, azaz pépesített formában használnak fel – innen ered a szárazelem kifejezés. Ám egy kis nedvességnek így is kell maradnia az elemben, mert azon keresztül „közlekednek” az elektromos töltést hordozó ionok!

De mi is történik az energiacellában, miközben az áramot fejleszt nekünk? A cinktartály belső faláról a maró folyadék hatására atomok oldódnak le, amik két-két elektronjukat a cinkfalon hagyják. Így a cink negatív töltésű elektronokkal telítődik, miközben pozitív töltésű cinkionok kerülnek az ammónium-klorid oldatba. Amikor az elemet beletesszük valamilyen elektromos szerkezetbe, akkor tulajdonképpen a cinktartályt és a szénrudat összekötjük egy vezetővel. Az így létrejött áramkörben a cinken összegyűlt elektronok a szénrúd felé haladnak. Eközben a hátrahagyott cinkionok (Zn2+) reakcióra lépnek az ammónium-kloriddal (NH4Cl), amivel egyesülve ammónium-cink-kloriddá (Zn(NH3)2Cl2) alakulnak, miközben leadnak két-két hidrogéniont (H+). Mindez képletben a következőképpen néz ki: Zn2+ + 2 NH4Cl =  Zn(NH3)2)Cl2 + 2 H+. A hidrogénionok a szénrúd felé haladva az azt körülvevő barnakő anyagával, a mangán-dioxiddal lépnek reakcióba. Ennek során a mangán-dioxid (MnO2) – a szénben összegyűlt, cinktől származó elektronok (e-) felhasználásával – manganittá (MnO(OH)) alakul; képletben: H+ + MnO2 + 2 e- = MnO(OH). Ezzel zárul az áramkör. Az elem mindaddig működik, amíg el nem fogy a benne található cink (vagy ki nem szárad az elektrolit).

Mint azt a bevezetőben is részleteztük, a szén és a cink közötti feszültségkülönbség 1,5 V, így ennyi lesz egy szabványos szén-cink cella egyenfeszültsége. Talán még emlékszünk rá tanulmányainkból, hogy a párhuzamosan összekötött áramforrások feszültsége összeadódik – így készül három szárazelemből a 4,5 V-os „zsebelem”, vagy hat darabból a 9 V-os elem. Számos, nem túlzottan nagy áramforrás igényű eszközbe kiválóan alkalmazható a szén-cink elem, mint pl. fali- vagy ébresztőórák, távirányítók, zseblámpák, zsebszámológépek, gyermekjátékok stb. Sőt, ilyen esetekben nem csak hogy alkalmazható, hanem műszakilag javasolt is a féltartós elemek használata!

Ajándékutalvány