„Opisz przepływ pradu elektrycznego elektrycznego w stanie stałym i roztworach wodnych”

Spis treści:

1. Przewodnictwo elektryczne

2. Woda

3. Elektroliza

4. Zastosowanie elektrolizy

5. Zastosowanie przewodnictwa elektrycznego cieczy

6. Ogniwa fotowoltaiczne

7. Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

8. Ogniwa paliwowe

1. Przewodnictwo elektryczne
   - zjawisko przepływu ładunków elektrycznych (prąd elektryczny) pod wpływem pola elektrycznego. Ze względu na wielkość oporności elektrycznej właściwej materiały dzieli się na izolatory (dielektryki), półprzewodniki i przewodniki.
   Pod względem mechanizmu mikroskopowego przewodnictwo elektryczne dzieli się na elektronowe (zachodzi w metalach i półprzewodnikach), jonowe (w gazach, cieczach i kryształach jonowych) oraz mieszane (w plazmie). Przewodnictwo elektryczne jest jednym z zagadnień teorii transportu.

2. Woda

Związek chemiczny występujący w wielkiej obfitości na Ziemi. Woda jest dobrym izolatorem, ale zanieczyszczona domieszkami w mniejszym lub większym stopniu przewodzi prąd. Niewątpliwie zatem domieszki rozpuszczone w wodzie decydują o jej przewodnictwie elektrycznym.
Pierwszym uczonym, który prowadził badania nad przepływem prądu przez wodne roztwory, był żyjący w latach 1791-1867 genialny samouk, Anglik Michael Faraday. Dzięki wielkim uzdolnieniom i ogromnej pracowitości, z pomocnika introligatora doszedł do stanowiska profesora fizyki i chemii. Dokonał wielu doniosłych odkryć decydujących o rozwoju elektrotechniki. On właśnie zauważył, że prąd elektryczny płynąc przez wodne roztwory soli, kwasów i zasad zachowuje się zupełnie inaczej niż przepływając przez ciała stałe. O ile mianowicie pod wpływem prądu w ciałach stałych nie zachodzą żadne chemiczne zmiany - o tyle w roztworach wodnych ww. związków zachodzą pewne reakcje chemiczne zwane rozkładem.
W kilkadziesiąt lat później zainteresował się tą sprawą pewien szwedzki uczony, Svante Arrhenius. Dalsze badania przepływu prądu w cieczach doprowadziły go do odkrycia praw rządzących tym przepływem i do wyjaśnienia, na czym właściwie polega wspomniany rozkład.

Cząstka każdego kwasu składa się z wodoru i tzw. reszty kwasowej. Cząstkę każdej zasady stanowi jakiś metal i powiązanie chemiczne wodoru z tlenem, zwane grupą wodorotlenową. Sól chemiczna jest wynikiem chemicznego działania jakiegoś kwasu na zasadę - dlatego w skład cząsteczki każdej soli wchodzi zawsze jakiś metal oraz wspomniana reszta kwasowa. W stanie suchym owe składniki kwasów, zasad i soli są ze sobą ściśle powiązane. Nie wykazują przy tym przewagi żadnego ładunku elektrycznego, pozostają więc elektrycznie obojętne. Z chwilą jednak zanurzenia w wodzie któregoś z tych ciał, z jego cząstkami zaczyna się dziać coś niezwykłego. Następuje natychmiastowy ich rozkład na poszczególne składniki, przy czym składniki te przestają być obojętne elektrycznie, wykazując wyraźną przewagę ładunków elektrycznych odmiennych znaków. Wodór mianowicie i metale wykazują ładunki dodatnie, reszty kwasowe zaś i grupy wodorotlenowe - ładunki ujemne. Otóż taki rozkład zanurzonych w wodzie cząstek kwasów, zasad i soli naukowcy nazywają dysocjacją elektrolityczną. Produktom zaś tego rozkładu w postaci atomów i grup atomów wykazujących ładunki różnych znaków dano nazwę jonów. Mamy więc tu do czynienia z jonami dodatnimi (wodór i metale) i ujemnymi (reszty kwasowe i grupy wodorotlenowe). Sam zaś wodny roztwór kwasów, zasad czy soli nosi nazwę elektrolitu.

Jeszcze dziwniejsze rzeczy zaczną się dziać elektrolitem, gdy się doprowadzi do niego napięcie ze źródła. W tym celu na każdym z przeciwległych krańców naczynia z elektrolitem zanurza się metalową sztabkę lub płytkę, połączoną z odpowiednim biegunem źródła. Sztabki te zwane są elektrodami, przy czym elektroda połączona z dodatnim biegunem źródła stanowi anodę, z ujemnym zaś - katodę. Otóż natychmiast po przyłożeniu w ten sposób napięcia do elektrolitu zawarte w nim jony ujemne zaczną być przyciągane przez anodę (jako dysponującą nadmiarem ładunków dodatnich), jony zaś dodatnie rozpoczną wędrówkę ku katodzie (jako wykazującej przewagę ładunków ujemnych). Mamy tu więc do czynienia w wędrówką jonów w dwóch przeciwnych kierunkach. Tej właśnie wędrówce zawdzięczają jony swą nazwę, gdyż jon to po grecku wędrowiec. Jony dodatnie - jako że dążą do katody - otrzymały nazwę kationów, jony ujemne ochrzczono mianem anionów, gdyż zdążają ku anodzie. Zawarte więc w elektrolicie jony wodoru i metali są kationami, podczas gdy jony reszt kwasowych i grup wodorotlenowych - anionami. To zaś, co dzieje się pod wpływem prądu elektrycznego w wodnych roztworach chemicznych soli, kwasów czy zasad, nazywamy elektrolizą.

 

3. Elektroliza:
Są to procesy chemiczne zachodzące na elektrodach, jeśli elektrody te są połączone z zewnętrznym źródłem prądu stałego. Elektrody (najczęściej metaliczne) zanurzone są w roztworze elektrolitu lub w elektrolicie stopionym.
Anoda jest elektrodą połączoną z dodatnim biegunem źródła prądu, a katoda połączona jest z ujemnym biegunem źródła prądu.
Dodatnio naładowane jony elektrolitu (kationy) wędrują do ujemnej katody, przyjmują od niej elektrony i przechodzą w obojętne atomy. Proces ten jest znanym procesem redukcji. Na katodzie zatem odbywa się zawsze proces redukcji.
Ujemnie naładowane jony elektrolitu (aniony) wędrują do dodatniej anody, oddają jej elektrony, a same wydzielają się w postaci wolnych pierwiastków. Oddawanie elektronów jest procesem utleniania jonów. Na anodzie zatem odbywa się zawsze proces utleniania.
Procesy rozładowywania jonów odbywają się równocześnie na obu elektrodach. Katoda w sposób ciągły oddaje elektrony, natomiast anoda przyjmuje elektrody od anionów. W wyniku tych procesów w przewodniku metalowym, łączącym elektrody ze źródłem prądu, płynie prąd elektryczny (strumień elektronów).


Widzimy więc, że po przyłożeniu napięcia do elektrolitu następuje w nim przemieszczanie się ładunków ujemnych - co stanowi przepływ prądu elektrycznego. 
Przepływ prądu przez elektrolit nie odbywa się tak samo jak przez ciała stałe - z tym tylko, że powoduje chemiczny rozkład elektrolitu.

W ciałach stałych prąd elektryczny stanowiło owo sztafetowe przemieszczanie się ujemnych ładunków na barkach wolnych elektronów wzdłuż obwodu, w kierunku dodatniego bieguna źródła. W cieczach natomiast „sprawcami” prądu są jony. Dodatnie jony wodoru i dodatnie jony metalu dążą do katody. Ładunek wodoru ulega tam zobojętnieniu, przejmując z niej elektrony, a sam wodór w postaci pęcherzyków wydostaje się na powierzchnię elektrolitu, by połączyć się z atmosferą. Ładunek metalu również ulega zobojętnieniu na katodzie, przy czym sam metal osadza się w sposób trwały na jej powierzchni. Analogicznie rzecz dzieje się z ujemnymi jonami reszty kwasowej. Osiągnąwszy anodę ulegają one tam zobojętnieniu, oddając jej swój nadmiar elektronów - przy czym tlen (który wchodził w skład reszt kwasowych) już wolny, uchodzi do atmosfery.

W elektrolicie więc nosicielami ujemnych ładunków są jony ujemne kierujące się ku anodzie - ich przemieszczanie się stanowi prąd elektryczny płynący w tej cieczy. Dlatego właśnie w cieczach mamy do czynienia z tzw. jonowym przewodzeniem prądu - w przeciwieństwie do ciał stałych, charakteryzujących się tzw. przewodzeniem elektronowym.

Elektroliza wody jest najprostszym sposobem przemysłowego otrzymywania wodoru i tlenu o bardzo wysokiej czystości (wodór najwyższej czystości, przekraczającej 99,9%). Jest to proces nieskomplikowany, stosunkowo tani do przeprowadzenia i może zachodzić zarówno w środowisku kwaśnym jak i zasadowym. Jako katody stosowane są elektrody ze stali miękkiej lub niklu, anody to najczęściej nikiel lub materiały pokrywane niklem.

Elektroliza, czyli jej rozkład pod wpływem prądu elektrycznego na wodór i tlen została wykonana po raz pierwszy w 1839 r. przez angielskiego fizyka Grave'a. Do istotnych wad tego procesu należy niska sprawność (24 - 35%), która  powoduje wysokie zapotrzebowanie energii elektrycznej sięgające 50 kWh/kg H. W czasach dzisiejszych na świecie wytwarza się ponad 500 mld m3 tego gazu.

 

K (-) proces redukcji                          2H+  +  2e →  H2 ­

A (+) proces utleniania             2OH-  -2e  →  H2O  +  O         

                                               2O → O2­

W procesie elektrolizy otrzymamy 2 razy więcej wodoru niż tlenu.

4. Zastosowanie elektrolizy

Elektroliza jest procesem stosowanym na skalę przemysłową m.in. do:

produkcji metali: aluminium, litu, sodu, potasu

produkcji rozmaitych związków chemicznych, w tym kwasu trifluorooctowego, wodorotlenku sodu, potasu, chloranu sodu i chloranu potasu

produkcji gazów: wodoru, chloru i tlenu.

galwanizacji - pokrywanie cienką warstwą metalu innego metalu

Aparaty do przeprowadzania elektrolizy nazywane są elektrolizerami.

5. Zastosowanie przewodnictwa elektrycznego cieczy

Jednym z praktycznych zastosowań przewodnictwa elektrycznego cieczy jest wykorzystanie przewodzenia prądu przez kwas w ogniwach elektrycznych, np. w akumulatorze samochodowym. Innym przykładem może być zastosowanie właściwości elektrolizy w galwanoplastyce, galwanostegii i elektrolitycznym czyszczeniu metali. Dla przybliżenia tego tematu, opiszę na czym polega proces elektrolitycznego czyszczenia metali na przykładzie miedzi. 

Po odkryciu w Polsce nowych, zasobnych złóż miedzi zaczęto wydobywać ten cenny metal na skałę przemysłową. Oczyszczanie go z domieszek przeprowadza się za pomocą elektrolizy. W roztworze siarczanu miedzi zanurzony jest blok nie oczyszczonej miedzi jako anoda. Katodę stanowi cienka płytka miedzi czystej. W trakcie elektrolizy dodatnie jony metalu osadzają się na katodzie stopniowo ją pogrubiając. Jony ujemne reszty kwasowej dochodzą do anody, pozbywają się nadmiaru elektronów i rozpadają się na tlen i trójtlenek siarki. Na ich miejsce do tej akcji wchodzą dalsze jony elektrolitu. Ubytek ich jest uzupełniany kosztem anody, co powoduje stopniowy jej rozkład. Proces zostaje zakończony, gdy płytka katody osiąga właściwą grubość. Tak uzyskany czysty produkt nazywamy miedzią elektrolityczną.

6. Ogniwa fotowoltaiczne

Są to układy produkujące energię elektryczną. Jest to możliwe dzięki zjawisku fotoelektrycznemu, które zachodzi wewnątrz ogniwa pod wpływem światła słonecznego. Ogniwa takie maja strukturę półprzewodnikową.

Materiałem do produkcji takich ogniw jest obecnie krzem polikrystaliczny lub amorficzny. Zdecydowanie większą wydajność uzyskuje się poprzez zastosowanie arsenku galu. Niemniej jednak produkcja tego typu ogniw jest bardzo kosztowna, dlatego nie weszły one do powszechnego użytku.

Obecnie prowadzone są prace nad wykorzystaniem do produkcji ogniw polikrystalicznych związków takich jak: 
i 
.

Najprostsze ogniwa fotowoltaiczne stosuje się powszechnie w życiu codziennym. Wykorzystywane są one m.in. w kalkulatorach, zegarkach, radioodbiornikach czy zabawkach. Pomocne są w tych urządzeniach, które potrzebują do pracy niewielkiej ilości prądu.

Ponadto są bardzo dobrym rozwiązaniem w takich miejscach, które znajdują się w dużej odległości od sieci elektrycznej, a inne sposoby produkcji energii elektrycznej są drogie.

Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują również rolnicy np. do zasilania w energię elektryczną obór, suszarni czy pomp nawadniających.

7. Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

selenowe

krzemowe

monokrystaliczne

polikrystaliczne

cienkowarstwowe (krzem bezpostaciowy)

barwnikowe (w trakcie badań)

polimerowe (w trakcie badań)[4]

8. Ogniwa paliwowe:

Ich zastosowanie daje wydajniejszy uzysk oraz znacznie większą produkcję niezbędnej do zasilania układów samochodowych energii zaproponował amerykański koncern Delhi, było to w 2001 roku na wystawie Engine Expo w Stuttgarcie. Wymieniona firma również pracuje nad reformerami, które mają posłużyć do otrzymania wodoru z oleju napędowego lub benzyny. Najnowszej generacji samochody są w coraz większym stopniu naszpikowane elektroniką. Znaczna część procesorów jest sterowana dzięki procesorom, z dnia na dzień coraz większa ilość samochodów posiada elektryczne silniki oraz podzespoły zasilane prądem, przykładowo systemy, które wspomagają zawieszenie, układy nawigacji lub klimatyzacja. Niedaleka przyszłość szykuje rozwiązania takie jak napędzane elektrycznie układ kierowniczy drive-by-wire lub włączanie hamulców. Wobec tego znacznie wzrośnie moc konieczna do sprawnego działania aut, a to zmusza niestety do podwyższenia zużycia paliwa.

Pewną perspektywą na rozwiązanie opisanego problemu mogłoby być użycie ogniw paliwowych do produkcji prądu. Biorąc pod uwagę, że prądnica aby wytworzyć 1 kW energii powoduje wzrost zużycia paliwa o około 1,5 l/100 km, to wynika z tego, że ogniwa paliwowe wymagają go około 45% mniej, nawet jeśli są w sposób bezpośredni zasilane benzyną ( nie paskiem klinowym w sposób mechaniczny)

Bibliografia:
1. Encyklopedia PWN
2. Encyklopedia „Nauka i technika” 
3. K. i W. Augustyniakowie „Elektryczność wokół nas” WKŁ Warszawa 1986
4. Leszek Gaszyński „Z prądem i o prądzie” Młodzieżowa Agencja Wydawnicza Warszawa 1981

---