Keemilised vooluallikad (0)

Keemilised vooluallikad
SISSEJUHATUS
Keemilised vooluallikad saadavad meid kõikjal. Kes ei oleks siis näinud telekapuldi patareid või autoakut? Nagu inimenegi vajavad ju kõik elektriseadmed energiat. Nõnda põhinevad keemilistel vooluallikatel just kaasaskantavad elektritarbijad – meie äratuskellade kui ka kasvõi pleierite toitesüsteemid. Kuid missuguseid süsteeme nimetatakse keemilisteks vooluallikateks, millised on nende head ja halvad küljed ning kuidas need leiavad kasutust meie igapäevaelus, sellest antud referaat räägibki.
1. KEEMILISED VOOLUALLIKAD
Keemilised vooluallikad on vooluallikad, millega saadakse elektrivoolu redoksreaktsioonide kulgemisel vabaneva energia arvel. Elektrienergia saamiseks kulutatakse elektrokeemiliselt aktiivseid aineid – aineid, mis astuvad redoksreaktsioonidesse elektroodidel, liites või loovutades seejuures elektrone. (Karik, Palm , Past, 1981:209)
Põhimõtteliselt võiks keemilise vooluallikana kasutada igasugust redokssüsteemi, kuna seal liiguvad elektronid alati kindlas suunas redutseerivalt elektroodilt oksüdeerivale elektroodile. ( Timotheus , 1999:259) Nõnda on redutseerija oksüdeerumisprotsessi ja oksüdeerija redutseerumisprotsessi ruumilisel eraldamisel võimalik saada elektrivoolu. Sel juhul muundatakse keemiline energia vahetult elektrienergiaks. Niisuguseid keemilisi vooluallikaid nimetatakse elektrokeemilisteks elementideks. (Ahmetov, 1974:198)
Keemiliste vooluallikate tähtsaimad iseloomustussuurused on elektromotoorjõud (tekitab ja säilitab suletud vooluringis elektrivoolu (ENE 2, 1987:525)), tööpinge, mahutavus (vooluallikast saadav elektrihulk) ja tööiga. Keemilised vooluallikad jagatakse kahte suurde liiki: ühekordse kasutusega (galvaanielemendid) ja mitmekordse kasutusega (akumulaatorid ehk akud ). On olemas ka kütuseelemendid, mida võib käsitleda galvaanielementide erijuhtumina. (Timotheus, 1999:259)

1.1. Galvaanielemendid

Galvaanielemendid on keemilised vooluallikad, milles on elektrienergia saamiseks võimalik ainult ühekordne elektrokeemiliselt aktiivsete ainete kasutamine, sest nende ainete läbireageerimise järel muutub galvaanielement vooluallikana kasutamiskõlbmatuks. (Karik, Palm, Past, 1981:209) Tänapäeval on galvaanielementidest kasutusel põhiliselt kuivelemendid, milles elektrolüüt (keemiline ühend, mis juhib elektrit, lagunedes ise selle toimel (VSL, 1983:168)) on pasta kujul. (Timotheus, 1999:259) Kuivelementide hulka kuuluvad näiteks Danielli-Jacobi, Grené, Volta ja Leclanche’i element. Lähemalt tutvustan neist kaht viimast.

1.1.1. Volta element

Huvitava loo uuele teadusharule – elektrokeemiale, aluse pannud Volta elemendist jutustavad L. Vlassov ja D. Trifonov oma raamatus „Huvitavat keemiast ”.
„Esimesel pilgul veidrana paistva tegevuse oli enesele leidnud soliidne mees, kellesse kõik tuttavad suhtusid suure lugupidamisega.
Algul valmistas ta väikesi metallkettaid. Kümneid ja kümneid, vasest ja tsingist. Seejärel lõikas ta samasuguseid kettaid poorsest materjalist ja immutas neid soolveega. Lõpuks hakkas ta valmistatud kettaid üksteise peale laduma nagu püramiidi ehitav laps. Tõsi küll, seejuures pidas ta kinni kindlast järjekorrast: vaskketas – poorne ketas – tsinkketas. Üks ja sama ketaste kombinatsioon kordus palju kordi. Seni, kuni laotud sammas veel püsti seisis .
Kui mees seejärel niiskete sõrmedega oma originaalse ehitise alust puudutas, tõmbas ta käe otsekohe ära. Ta sai, nagu öeldakse, tugeva elektrilöögi.
Nõnda leiutas kuulus itaalia füüsik Alessandro Volta 1800. aastal galvaanielemendi – keemilise elektrivoolu allika. Elektrivool tekkis „Volta sambas” keemiliste reaktsioonide tagajärjel.
See oli uue teadusharu – elektrokeemia sünd.
Teadlased said oma käsutusse seadme, mis võimaldas pika aja vältel elektrivoolu tekitada. Vool katkes siis, kui „Volta sambas” lakkasid keemilised protsessid.
Huvitav oli selgitada, missugust mõju avaldab elekter ühele või teisele ainele.
Inglise arst Carlyle ja insener Nicholson valisid uurimisobjektiks vee. Tol ajal oli keemikutel juba küllalt alust väita, et vesi koosneb vesinikust ja hapnikust. Lõplikku katselist kinnitust aga ei olnud sellele oletusele seni õnnestunud saada.
Teadlased kasutasid 17 Volta elemendist koosnevat elektripatareid. See andis väga tugevat voolu. Ja selle mõjul algas vee tormiline lagunemine kaheks gaasiks – vesinikuks ja hapnikuks. Ainete sellist lagunemist elektrivoolu toimel nimetatakse elektrolüüsiks.” (Vlassov, Trifonov, 1970:88-89)

1.1.2. Leclanche’i element

Tähtsaim kuivelement on Leclanche’i element. Tema tsinkkesta (1, vaata lisadest joonist 1) sees on NH4Cl pasta (2). Kesta sisemuse keskel asub söepulk (3), mida ümbritseb MnO2 kiht (4). Pealt on element hermeetiliselt suletud (näiteks pigiga).
Kui selle elemendi tsinkkest hakkab oksüdeeruma, juhitakse tsingil tekkiv elektronide liig voolutarbija kaudu söepulgale ja sealt MnO2-le, mis seetõttu hakkab redutseeruma. Protsessi summaarse võrrandi võib üles tähendada järgmiselt:
Zn + 2MnO2 + 2 NH4Cl = [Zn(NH3)2]Cl2 + 2Mn(O)OH
Protsess kestab kuni suurem osa tsinkkestast on lahustunud ja pasta hakkab läbisöövitatud kesta aukudest välja valguma. See näitab, et element on oma aja ära elanud ja pole võimeline enam vooluallikana eksisteerima , mistõttu muutub ta kasutamiskõlbmatuks.
Leclanche’i elemendi tööpinge on 1,5V ning tema mahutavus ja tööiga on väikesed. (Timotheus, 1999:259) Kuna sellel elemendil on suur sisetaksistus, ei saa temalt tugevat voolu. (Koržev, 1963:102) Leclanche’i ja teisi galvaanielemente kasutatakse väikese võimsusega elektritarbijate jaoks, nagu taskulambid, elektrilised kellad, taskuarvutid, pleierid jne. (Timotheus, 1999:259)

1.2. Akumulaatorid

Suurema võimsusega alalisvoolutarbijate jaoks, eriti kui need vajavad tugevat voolu, kasutatakse akumulaatoreid ehk akusid . (Timotheus, 1999:259)Akud on seadised elektrienergia salvestamiseks. (Karik, Palm, Past, 1981:209) See on põhimõtteliselt samuti galvaanielement, kuid seda saab pärast tühjenemist välise vooluallika abil laadida ja uuesti kasutada kuni tühjenemiseni. (Timotheus, 1999:259)

1.2.1. Pliiaku

Üks tuntumaid akusid on pliiaku, mida kutsutakse ka happeakuks. Tavaliselt on uus aku kuivas olekus, negatiivne elektrood on poorse pealispinnaga pliist ning positiivne elektrood sisaldab pliisõrestikku pressitud PbO2 (vaata pliiaku ehitust lisadest jooniselt 2). Kui aku täita paraja kangusega ja tihedusega (30%; ρ=1,18-1,22 kg/dm3 (Karik, Palm, Past, 1981:209)) H2SO4 lahusega, hakkab negatiivsel plaadil olev plii väävelhappega reageerima ning seetõttu väävelhappe kontsentratsioon väheneb. Elektronid, mis ta ära annab, liiguvad läbi tarbija positiivsele plaadile . Siin redutseerub PbO2 PbO-ks, mis samuti reageerib väävelhappega.
Lõpuks on mõlemal elektroodil tekkinud PbSO4, väävelhape on muutunud lahjaks ja aku ei anna enam voolu, sest ta on tühjenenud. Teostades nüüd välise alalisvooluallika, näiteks alaldi abil elektrolüüsi (laadimist), nii et negatiivne plaat on katoodiks, tekib katoodile tagasi Pb, anoodile aga PbO2 ning aku on uuesti võimeline voolu andma. Summaarselt võiks seda protsessi kujutada järgmiselt:
Pb + PbO2 + 2H2SO4  2PbSO4 + 2H2O
Akut saab tühjendada ja laadida palju kordi järjest, kuid mitte lõpmatuseni, sest plaadid kuluvad. Positiivsel plaadil reageerib PbO2 sõrestiku pliiga, tekib PbO ja PbSO4. Korduval tühjendamisel ja laadimisel muutub PbO2 kohevaks ning pudeneb sõrestikust välja. Peale selle võib tühjenemisel tekkiv peeneteraline PbSO4 muutuda (eriti kui aku jäetakse tühjenenud olekus kauemaks seisma) jämekristalseks ega võta enam laadimisreaktsioonist osa.
Pliiakul on mõned väärtuslikud omadused, mistõttu on ta tänapäevalgi hädavajalik vooluallikas, eriti sisepõlemismootorite juures. Nimelt püsib pliiaku pinge suurema osa tühjenemise ajast konstantsena (ühe purgi klemmipinge on 2V (Karik, Palm, Past, 1981:209)). Teiseks on võimalik pliiakust võtta lühiajaliselt õige tugevat voolu (100V ja rohkem), mis on mootori käivitamisel oluline. Ka on pliiakul sisetakistus väike. Seega on lahtriteks jagatult võimalik suurendada tööpinget vastavalt 6 või 12 V-ni. (Timotheus, 1999:259-260) Sellest tuleb lähemalt juttu osas 1.4.
Pliiaku puuduseks on tema suur mass (plii tihedus on 11 300 kg/m3), tundlikkus laadimata oleku ja ülekoormuse suhtes ning suhteliselt kõrge hind. Samas on nende patareid asendamatud avariiolukordades, eriti haiglates ja mujal ootamatute voolukatkestuste puhul. Siiani ei ole ükski muu aku pliiakudele väga tõsist konkurentsi pakkunud. (Timotheus, 1999:260)

1.2.2. Muud akud

Lisaks pliiakudele on olemas ka mitmesuguseid leelisakusid, mille elektrolüüdiks on KOH või NaOH lahus.
Samalaadse summaarse protsessiga raud- nikkel - ja kaadmium -nikkelakud on pliiakudest kergemad, ei karda laadimata olekut ega ülekoormust, samas nende pinge muutub tühjenemisel palju – 1,7 kuni 1,2 V. Kõige suurem miinus on nende akude puhul aga selles, et nende kasutegur on vaid 50-60%.
Fe + Ni2O3 + 3H2O  Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2
Cd + Ni2O3 + 2H2O  CdO + 2Ni(OH)2
Uuemal ajal on välja mõeldud mitmeid akusid ja elemente – tsink - elavhõbe , tsink- hõbe , kaadmium-hõbe jne. Need äratavad huvi oma väikesemõõtmelisuse tõttu. Odavaim selline nn nööpelement (vaata lisadest joonist 3) on elektronkäekellade, kalkulaatorite ja muude pisikeste seadmete toiteallikana kasutatav tsink-hõbeelement, mille lähteained on metalliline tsink ja elavhõbe(II)oksiid ning selle vooluallika summaarne protsess sarnaneb eeltoodule. (Timotheus, 1999:260-261)

1.3. Kütuseelemendid

Kütuseelement on eri tüüpi galvaanielement, milles toimub kütuse aeglane oksüdatsioon („leegita põlemine ”) ja reaktsioonil vabaneva energia eraldumine elektrienergiana. Kütuseelement töötab elektrokeemilise generaatorina, milles elementi juhitakse pidevalt elektrokeemiliselt aktiivseid aineid vastavalt nende ärakasutamisele. Sel viisil tagatakse elektrienergia pidev genereerimine elemendis. (Karik, Palm, Past, 1981:210)
See on ka peamine omadus, mille poolest erineb kütuseelement galvaanielemendist. Kütuseelementides, nagu tavalistes galvaanielementideski, on elektroodid , millele juhitakse redutseerija ( kütus ) ja oksüdeerija, eraldatud ioonjuhtivusega elektrolüüdi abil ( happed või leelised , sulatatud soolad jne).Anoodile juhitakse pidevalt kütust, katoodile oksüdeerijat. Gaasiliste ainete kasutamisel valmistatakse elektroodid tavaliselt õõnsate torude või plaatidena. Voolu tekitav protsess toimub elektroodi ja elektrolüüdi kokkupuutepinnal. (Ahmetov, 1974:200)
Elektroodid (1, vaata lisadest joonist 4) on poorsed ja sisaldavad tavaliselt katalüsaatorit, mis lagundab kütust ja aktiveerib hapnikku. Elektroodide vahel on elektrolüüt (2) – niisiis lahus või sulatis, vastavalt elemendi töötemperatuurile, mis võib ulatuda toatemperatuurist 1000°C ja suuremakski. Kütusena lisatakse H2 või vesinikurikkaid gaase (CH4 jt madalamad alkaanid), CO ning mõnikord ka vedelkütuseid. Oksüdeerijaks on puhas hapnik või õhk.
Saadustena tekivad CO2 ja H2O, seega on kütuseelemendis toimuvad keemilised protsessid sarnased põlemisega, ainult temperatuur on enamasti madalam, millest tuleneb ka „leegita põlemine”. Pinge elektroodide vahel on tavaliselt umbes 1V.
Võrreldes tavalise kütuse põletamist kütuseelemendi kasutamisega soojuselektrijaamas, on kütuseelemendi eeliseks konstruktsiooni lihtsus ja palju suurem kasutegur (kuni 70%). Kuna keemiline energia muutub elektrienergiaks vahetult, ilma soojusenergia ja mehaanilise energia vahenduseta. Tavalise soojuselektrijaama kasutegu on kusjuures 30-40%. Kütuseelemendi tööigagi on küllalt pikk, küündides 10 aastani, ja tema mõõtmed väikesed. See ei saasta keskkonda ning on kergem kui samasuguse võimsusega mõni muu galvaanielement või akumulaator .
Kütuseelemendi põhiline puudus on kõrge hind, sest spetsiaalsed elektroodimaterjalid ja katalüsaatorid on kallid. Sellesuunaline uurimistöö jätkub väga intensiivselt ja mitmes suunas. Näiteks on katsetatud kütuseelemente, kus kütuse lagundajaks on bakterid . (Timotheus, 1999:262) Juba 1974. aasta paiku ennustati kütuseelementide tehnoloogiale suurt tulevikku, sest tol ajal kasutati neid Maa tehiskaaslastel ja kosmoselaevadel, samuti sõjalistel eesmärkidel. Väga ahvatlevana tundus isegi kütuseelementide kasutamine sisepõlemismootorite asemel transpordis. (Ahmetov, 1974:201)

1.4. Elementide ühendamine patareiks

Elementide ühendamiseks on patareiks on 3 võimalust:

JÄRJESTIKLÜLITUS. Järjestiklülituse korral võrdub patarei elektromotoorne jõud üksikute elementide elektromotoorsete jõudude summaga . Patareiks ei või koondada erinevaid ega erisugusel määral tarvitatud elemente ning tuleb jälgida pooluste ühendamise õigsust (vaata lisadest joonist 5)

PARALLEELLÜLITUS. Paralleellülituse korral (vaata lisadest joonist 6) jääb patarei elektromotoorne jõud ligikaudu võrdseks ühe elemendi elektromotoorse jõuga, kuid patarei mahtuvus suureneb vastavalt ühendatud elementide arvule.

SEGALÜLITUS. Osa elemente ühendatakse mitmesse patareisse, mis siis ühendatakse omavahel (paralleelselt või järjestikku, vaata lisadest joonist 7). Segalülituse korral võib küllaldase arvu elementide ühendamisel saada vajalikku elektromotoorset jõudu (järjestiklülitusel) või patarei mahtuvust ja voolutugevust (paralleellülituse korral)
(Koržev, 1963:103)

KOKKUVÕTE

Keemilised vooluallikad on vooluallikad, millega saadakse elektrivoolu redoksreaktsioonide kulgemisel vabaneva energia arvel. Nad jagunevad 3 rühma: galvaanielementideks, akudeks ja kütuselementideks, kuigi kahel viimasel on sarnasusi galvaanielementidega, milles on elektrienergia saamiseks võimalik ainult ühekordne elektrokeemiliselt aktiivsete ainete kasutamine, sest nende ainete läbireageerimise järel muutub galvaanielement vooluallikana kasutamiskõlbmatuks. Galvaanielementide hulka kuuluvad näitkes Volta ja Leclanche’i element. Akud on seadised elektrienergia salvestamiseks. Ka neid on erinevat tüüpi: pliiakud, leelisakud, tsink-hõbeelemendid jne. Kütuseelement on erilist tüüpi galvaanielement, milles toimub kütuse aeglane oksüdatsioon („leegita põlemine”) ja reaktsioonil vabaneva energia eraldumine elektrienergiana. Inimene kasutab keemilisi vooluallikaid igapäevaelus väga aktiivselt ja tõenäoliselt ei kujutaks me oma elu ilma nendeta ettegi – keemilised vooluallikad on muutnud inimese eluviisi liikuvamaks, sest elektritehnika on muutunud tänu keemilistele vooluallikatele teisaldatavaks.

KIRJANDUSE LOETELU

Ahmotov, N. 1974. Anorgaaniline keemia. Tallinn: Valgus.

ENE 2 = Eesti Nõukogude Entsüklopeedia 2. köide. 1987. Tallinn: Valgus.

Karik, H.; Palm, U.; Past, V. 1981. Üldine ja anorgaaniline keemia. Tallinn: Valgus.

Koržev, P. 1963. Keemia teatmik. Tallinn: Eesti Riiklik Kirjastus.

Timotheus, H. 1999. Praktiline keemia. Riia: Avita.

Vlassov, L.; Trifonov, D. 1970. Huvitavat keemiast. Tallinn: Valgus.

VSL = Kleis , R.; Silvet, J.; Vääri, E. 1983. Võõrsõnade leksikon. Tallinn: Valgus.

LISAD

Joonis 1

Joonis 2

Joonis 3

Joonis 4

Joonis 5

Joonis 6

Joonis 7