Weird Science

Elektryczność  z powietrza

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (5/2016):

Ilustracja

Ples M., Elek­trycz­ność z powie­trza. Ogniwo gli­nowo-tle­nowe, Che­mia w Szkole, 5 (2016), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 8-11

Ogniwo gli­nowo-tle­nowe

Czasy obecne z pew­no­ścią można nazwać wie­kiem elek­trycz­no­ści. Tech­nika wyko­rzy­sty­wana przez naszą cywi­li­za­cję opiera się prze­cież głów­nie na wyko­rzy­sta­niu tej wła­śnie formy ener­gii.

Czym jest prąd elek­tryczny? Defi­niuje się go jako upo­rząd­ko­wany ruch cząstek obda­rzo­nych ładun­kiem elek­trycz­nym nazy­wa­nych nośni­kami ładunku. Prze­pływ prądu w obwo­dzie jest możl­iwy dzięki ist­nie­niu siły elek­tro­mo­to­rycz­nej SEM gene­ro­wa­nej przez różn­ego rodzaju źródła ener­gii elek­trycz­nej. W przy­padku ogniw elek­tro­che­micz­nych siła elek­tro­mo­to­ryczna jest wyni­kiem reak­cji che­micz­nych zacho­dzących w ogni­wie. Po zamk­nięciu obwodu zew­nętrz­nego wywo­łuje w nim różn­icę poten­cja­łów elek­trycz­nych (napięcie elek­tryczne U), co pociąga za sobą ruch ładun­ków czyli prze­pływ prądu elek­trycz­nego.

Źródła prądu elek­trycz­nego muszą wytwa­rzać różn­icę poten­cjału kosz­tem innych form ener­gii. Ich rodza­jem wyko­rzy­stu­jącym ener­gię che­miczną są ogniwa gal­wa­niczne, których rodo­wód sięga końca XVIII wieku i prac Luigi Galva­niego, który stwier­dził, że wypre­pa­ro­wane mięśnie żaby kur­czą się w kon­tak­cie z meta­lo­wymi narzędziami [1]. Pra­cami Galva­niego zain­te­re­so­wał się następ­nie Alle­san­dro Volta, który udo­wod­nił, że dwa różne metale zanu­rzone w roz­two­rze elek­tro­litu stają się źródłem prądu elek­trycz­nego [2].

Dziś naj­pow­szech­niej sto­so­wane, cho­ciaż ciągle wypie­rane przez inne kon­struk­cje, są ogniwa opra­co­wane w 1866 roku przez fran­cu­skiego che­mika Geor­ges'a Lec­lan­chégo. Budowę ogniwa w wer­sji suchej, tj. bez płyn­nego elek­tro­litu przed­sta­wia Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Budowa suchego ogniwa Lec­lan­chégo; a - katoda (gra­fit), b – tle­nek man­ganu(IV) MnO2 i pył gra­fi­towy, c – papie­rowa osłona, d – wil­gotna pasta chlorku amonu NH4Cl, e - anoda (cynk), f – szczelne izo­la­cyjne wieczko

Poza ogni­wami Lec­lan­chégo (cyn­kowo-węglo­wymi) można spot­kać wiele innych typów: ogniwa alka­liczne, litowe i inne.

W więk­szo­ści przy­pad­ków budowa spraw­nych ogniw gal­wa­nicz­nych wymaga sto­so­wa­nia nie­bez­piecz­nych sub­stan­cji, w tym tru­jących lub o wła­ści­wo­ściach żrących. Nie zachęca to do prób ich kon­struk­cji w warun­kach np. szkol­nych. Z tego powodu chciałbym opi­sać budowę ogniwa gli­nowo-tle­no­wego, w przy­padku którego nie będzie konieczne korzy­sta­nie z tok­sycz­nych sub­stan­cji. Dodat­kowo jest ono dosyć nie­ty­powe, ponie­waż jedną z jego elek­trod jest tlen. W pew­nym sen­sie uzy­skamy więc prąd elek­tryczny z powie­trza!

Doświad­cze­nie

Do budowy opi­sy­wa­nego ogniwa gli­nowo-tle­no­wego potrzebne są jedy­nie łatwo dostępne sub­stan­cje:

Glin, w tech­nice nazy­wany też alu­mi­nium, jest sre­brzy­sto­bia­łym meta­lem o sto­sun­kowo nie­wiel­kiej gęsto­ści (2,7 g/cm3), dosko­na­łej kowal­no­ści i pla­stycz­no­ści. Dobrze prze­wo­dzi prąd elek­tryczny [3]. Do doświad­cze­nia nada się glin w postaci spo­żyw­czej folii alu­mi­nio­wej (Fot.1a).

Tak zwany węgiel akty­wo­wany składa się w prze­wa­ża­jącej mie­rze z bez­po­sta­cio­wego węgla pier­wiast­ko­wego, z domieszką drob­no­kry­sta­licz­nego gra­fitu oraz popiołu. Jego cechą cha­rak­te­ry­styczną jest bar­dzo duży sto­pień roz­wi­nięcia powierzchni. Trudno to sobie wyo­bra­zić, ale jeden gram węgla akty­wo­wa­nego może mieć łączną powierzch­nię docho­dzącą do 3300m2 (sic!). Dzięki temu jest bar­dzo dobrym adsor­ben­tem wielu związ­ków che­micz­nych [4].

Węgiel akty­wo­wany posiada różn­o­rodne zasto­so­wa­nia. W medy­cy­nie bywa sto­so­wany przy zatru­ciach lekami i innymi związ­kami che­micz­nymi, w prze­my­śle che­micz­nym jako kata­li­za­tor i nośnik, a także przy kon­struk­cji fil­trów różn­ego rodzaju. Do naszych celów naj­le­piej nadaje się sub­stan­cja w postaci nie­wiel­kich zia­ren lub gra­nu­lek (Fot.1b).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Sub­stan­cje potrzebne do budowy ogniwa; a – folia alu­mi­niowa, b – węgiel akty­wo­wany, c – sól kuchenna

Chlo­rek sodu NaCl to oczy­wi­ście naj­zwy­czaj­niej­sza sól kuchenna i możemy się w nią zao­pa­trzyć w skle­pie spo­żyw­czym (Fot.1c).

Budowa ogniwa nie jest skom­pli­ko­wana. Anodę, będącą ujem­nym bie­gu­nem ogniwa sta­nowi arkusz folii alu­mi­nio­wej np. o powierzchni kil­ku­dzie­sięciu cen­ty­me­trów kwa­dra­to­wych (Fot.2A).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Kolejne etapy budowy ogniwa; A – anoda z folii alu­mi­nio­wej, B – nasącza­nie bibuły fil­tra­cyj­nej roz­two­rem elek­tro­litu, C – war­stwa węgla akty­wo­wa­nego, D – kolek­tor z folii alu­mi­nio­wej

Na folię anody należy następ­nie poło­żyć arkusz bibuły fil­tra­cyj­nej. Dobrze nadają się w tym celu sączki lub papie­rowe ręcz­niki. Bibułę musimy nasączyć nasy­co­nym wod­nym roz­two­rem chlorku sodu NaCl (Fot.2B). Na bibułę trzeba z kolei nanieść węgiel akty­wo­wany w postaci rów­no­mier­nej war­stwy o gru­bo­ści poje­dyn­czych zia­ren. Na war­stwie węgla umiesz­cza się kolejny arkusz folii alu­mi­nio­wej. Arkusz spodni i wierzchni nie mogą się sty­kać.

Całe ogniwo dobrze jest umie­ścić na wodo­od­por­nym i nie­prze­pusz­czal­nym pod­łożu, ponie­waż może nastąpić prze­siąka­nie elek­tro­litu.

Przy takiej kon­struk­cji ogniwa dolny arkusz folii alu­mi­nio­wej sta­nowi jego bie­gun ujemny, górny zaś dodatni.

Sprawdźmy czy zbu­do­wane w ten spo­sób ogniwo rze­czy­wi­ście wytwa­rza prąd elek­tryczny. Dla zapew­nie­nia odpo­wied­niego kon­taktu między dro­bi­nami węgla, a gór­nym arku­szem folii należy go doci­snąć jakimś ciężkim przed­mio­tem, np. więk­szą zlewką wypełn­ioną wodą (Fot.3, u góry).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Gotowe ogniwo gli­nowo-tle­nowe; u góry – widok ogólny, poni­żej – wyniki pomiaru napięcia oraz natęże­nia prądu wytwa­rza­nego przez ogniwo

Pomiar napięcia ogniwa obciążo­nego jedy­nie urządze­niem pomia­ro­wym (mier­ni­kiem uni­wer­sal­nym) wyka­zał war­tość 0,8V, zaś natęże­nie prądu zwar­cia - nieco ponad 22mA. Nie są to zbyt duże war­to­ści, jed­nak nie­wąt­pli­wie ogniwo pra­cuje prze­ksz­tałc­a­jąc ener­gię wiązań che­micz­nych w uży­teczną ener­gię elek­tryczną.

Czy rze­czy­wi­ście uży­teczną? Spróbujmy zaprząc pow­stałą ener­gię do jakiejś pracy. Na Fot.4 poka­zano pod­łączony do ogniwa mikro­sil­nik elek­tryczny wyko­rzy­sty­wany zwy­kle do napędu zaba­wek. W tym przy­padku na jego osi osa­dzono wir­nik.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Mikro­sil­nik elek­tryczny z osa­dzo­nym na osi wir­ni­kiem pod­łączony do ogniwa

Po odpo­wied­nim ści­śnięciu ele­men­tów ogniwa ciężkim przed­mio­tem lub dło­nią ogniwo zaczyna wymu­szać prze­pływ prądu elek­trycz­nego przez sil­ni­czek – jego wir­nik obraca się (Fot.5). By doświad­cze­nie powio­dło się zasto­so­wany mikro­sil­nik musi być przy­sto­so­wany do zasi­la­nia niskim napięciem.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Po ści­śnięciu ele­men­tów ogniwa wir­nik zaczyna się obra­cać

Próby zasi­le­nia opi­sy­wa­nym ogni­wem minia­tu­ro­wych, nisko­na­pięcio­wych żarówek często nie przy­no­szą rezul­tatu. Dzieje się tak, ponie­waż posz­cze­gólne modele wyma­gają zwy­kle natęże­nia prądu rzędu co najm­niej kil­ku­set miliam­pe­rów przy napięciu 2-6V, pod­czas gdy możl­i­wo­ści źródła są w tym przy­padku dużo mniej­sze. Wydatne powięk­sze­nie powierzchni elek­trod daje oczy­wi­ście dobre rezul­taty, ale bywa pro­ble­ma­tyczne szcze­gól­nie w warun­kach szkol­nych.

Myślę jed­nak, że możl­i­wość zasi­le­nia ogni­wem gli­nowo-tle­no­wym jakie­goś źródła świa­tła byłaby bar­dzo pożądana, ponie­waż sta­nowi to wyraźnie widoczny, nawet wobec dużego audy­to­rium, efekt zacho­dzących prze­mian ener­ge­tycz­nych.

Poszu­ku­jąc odpo­wied­niego spo­sobu zwróci­łem uwagę na pow­szech­nie już dziś wyko­rzy­sty­wane źródło świa­tła jakim są diody elek­tro­lu­mi­ne­scen­cyjne, czyli w skrócie LED (ang. light emit­ting diode). Są to opto­e­lek­tro­niczne przy­rządy półp­rze­wod­ni­kowe, w których zacho­dzi zja­wi­sko tzw. rekom­bi­na­cji pro­mie­ni­stej, dzięki której ener­gia elek­tryczna zostaje prze­two­rzona do ener­gii świetl­nej [5].

Diody LED wyma­gają do pracy wie­lo­krot­nie niższych war­to­ści natężeń prądu elek­trycz­nego niż żarówki. Nie­stety, ich mini­malne napięcie prze­wo­dze­nia wynosi od około 2V dla diod emi­tu­jących świa­tło pod­czer­wone i czer­wone do nawet ponad 3V dla diod bia­łych i nie­bie­skich. Z tego powodu nie ma mowy o bez­po­śred­nim zasi­le­niu diod LED napięciem gene­ro­wa­nym przez nasze ogniwo. Można oczy­wi­ście zbu­do­wać kilka ogniw i połączyć je sze­re­gowo, co też oczy­wi­ście ma war­tość edu­ka­cyjną. Ist­nieje jed­nak inny spo­sób – możemy zbu­do­wać pro­ste urządze­nie dopa­so­wu­jące war­tość napięcia do potrzeb diody LED.

Sche­mat urządze­nia przed­sta­wia Rys.2.

Ilustracja
Rys.2 – Sche­mat układu pod­wyższa­jącego napięcie, uzwo­je­nia nawi­nięte w tym samym kie­runku, kropki ozna­czają początki uzwo­jeń

Jak widać, składa się ono jedy­nie z kilku tanich i łatwo dostęp­nych ele­men­tów elek­tro­nicz­nych – jest to bar­dzo pro­sta prze­twor­nica pod­wyższa­jąca napięcie [6]. W sto­sunku do czę­ściej spo­ty­ka­nych rea­li­za­cji zmniej­szono war­tość rezy­stora do 1kΩ, tak by układ pra­co­wał lepiej przy tak niskich war­to­ściach napięć i natężeń prądu elek­trycz­nego jak w naszym przy­padku.

Szer­szego omówie­nia wymaga zasto­so­wany trans­for­ma­tor. Naj­le­piej nawi­nąć two­rzące go uzwo­je­nia bifi­lar­nie, czyli dwoma dru­tami jed­no­cze­śnie na minia­tu­ro­wym rdze­niu toro­i­dal­nym. W urządze­niu mode­lo­wym zasto­so­wano rdzeń o śred­nicy zew­nętrz­nej rów­nej 12mm pozy­skany z usz­ko­dzo­nej płyty głów­nej kom­pu­tera. Uzwo­je­nia liczą po 27 zwo­jów drutu nawo­jo­wego w ema­lii o śred­nicy 0,3mm. Dane uzwo­jeń nie są kry­tyczne i można tu poek­s­pe­ry­men­to­wać. Swój układ zmon­to­wa­łem na nie­wiel­kim kwa­dra­to­wym frag­men­cie uni­wer­sal­nej płytki dru­ko­wa­nej (Fot.6). Dłu­gość boku płytki wynosi około 2cm, prze­twor­nica jest więc naprawdę minia­tu­rowa. Dla dobrej widocz­no­ści zasto­so­wano diodę LED o bia­łej bar­wie emi­to­wa­nego świa­tła.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Gotowy układ prze­twor­nicy pod­wyższa­jącej napięcie wraz z diodą LED

Opi­sy­wana prze­twor­nica jest pro­stym gene­ra­to­rem o sprzęże­niu induk­cyj­nym, w którym dzięki zja­wi­sku induk­cji magne­tycz­nej na dio­dzie LED odkłada się napięcie o war­to­ści wyższej niż napięcie zasi­la­nia układu. Łatwo to spraw­dzić. Biała dioda LED pod­łączona bez­po­śred­nio do ogniwa oczy­wi­ście nie świeci. Nato­miast wyko­rzy­sta­nie układu umożl­i­wia jasne świe­ce­nie diody (Fot.7). W przy­padku, gdyby prze­twor­nica nie dzia­łała należy zamie­nić miej­scami końce jed­nego z uzwo­jeń.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Świe­ce­nie bia­łej diody LED zasi­la­nej z ogniwa poprzez układ pod­wyższa­jący napięcie, górny lewy róg – powięk­sze­nie widoku pra­cu­jącego układu

Układ zbu­do­wany przez autora działa na tyle spraw­nie, że poku­szono się o zbu­do­wa­nie mocno zmi­nia­tu­ry­zo­wa­nej wer­sji pre­zen­to­wa­nego ogniwa. Anoda ma wtedy postać paska folii alu­mi­nio­wej o sze­ro­ko­ści około 1cm i dłu­go­ści 4cm. Jeśli cho­dzi o węgiel akty­wo­wany, to w tym przy­padku wystar­czy poje­dyn­cze ziarno! Pro­po­nuję, by doci­snąć je przez war­stwę bibuły do folii za pomocą unie­ru­cho­mio­nej np. w kom­bi­ner­kach igły, która sta­nowi wtedy dodatni bie­gun ogniwa. Gotowy zestaw przez zwil­że­niem bibuły elek­tro­li­tem przed­sta­wia Fot.8.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Gotowe minia­tu­rowe ogniwo gli­nowo tle­nowe przed zwil­że­niem elek­tro­li­tem

Ogniwo zaczyna pra­co­wać oczy­wi­ście dopiero po zwil­że­niu bibuły elek­tro­li­tem. Także w tym przy­padku dioda zaczyna wyraźnie świe­cić (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Minia­tu­rowe ogniwo gli­nowo-tle­nowe po zwil­że­niu elek­tro­li­tem – pro­duk­cja ener­gii elek­trycz­nej obja­wia się świe­ce­niem diody LED

Zaska­ku­jące jest, że nawet tak uprosz­czone ogniwo gene­ro­wało po obciąże­niu prze­twor­nicą prąd o natęże­niu około 1,2mA przy napięciu 0,6V w cza­sie przy­najm­niej 15 minut.

Czas pracy ogniwa zależy od wielu czyn­ni­ków, głów­nie od ilo­ści glinu uży­tego na anodę, ponie­waż jest on zuży­wany w cza­sie pracy. Można to zau­wa­żyć bada­jąc mate­riał anody po doświad­cze­niach z ogni­wem: folia staje się wtedy wyraźnie cieńsza, a po pew­nym cza­sie zaczy­nają się two­rzyć w niej otwory. Bibuła oddzie­la­jąca anodę od węgla akty­wo­wa­nego musi być przez cały czas wil­gotna – wysch­nięcie elek­tro­litu unie­możl­i­wia pracę ogniwa.

Jak widać, pre­zen­to­wane pro­ste ogniwo gal­wa­niczne może słu­żyć do wielu inte­re­su­jących doświad­czeń.

Wyja­śnie­nie

Budowę ogniwa gli­nowo-tle­no­wego w prze­kroju poprzecz­nym przed­sta­wia Rys.3.

Ilustracja
Rys.3 – Budowa ogniwa; a - anoda (folia alu­mi­niowa), b – bibuła fil­tra­cyjna nasączona elek­tro­li­tem, c – katoda (tlen zaad­sor­bo­wany na powierzchni zia­ren węgla akty­wo­wa­nego), d – kolek­tor

Ener­gia elek­tryczna w ogni­wie pow­staje kosz­tem reak­cji che­micz­nych, jakim ule­gają mate­riały elek­tro­dowe, tj. glin wcho­dzący w skład folii alu­mi­nio­wej i tlen z powie­trza zaad­sor­bo­wany na powierzchni zia­ren węgla akty­wo­wa­nego.

Suma­rycz­nie w ogni­wie zacho­dzi reak­cja utle­nia­nia glinu tle­nem z powie­trza przy udziale wody:

4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3

Jest to oczy­wi­ście reak­cja redoks. Istotą pracy ogniwa jest fakt prze­strzen­nego roz­dzie­le­nia reak­cji utle­nia­nia i reduk­cji, czyli tzw. reak­cji połów­ko­wych. Na ano­dzie zacho­dzi reak­cja utle­nia­nia glinu:

Al + 3OH→ Al(OH)3 + 3e

Nato­miast na kato­dzie tlen z powie­trza jest redu­ko­wany do jonów wodo­ro­tlen­ko­wych:

O2 + 2H2O + 4e → 4OH

Mate­riały elek­trod zuży­wają się oczy­wi­ście w cza­sie reak­cji, ponie­waż zostają prze­two­rzone w odpo­wied­nie pro­dukty [7].

Dzięki uwal­nia­niu elek­tro­nów na ano­dzie i ich poch­ła­nia­niu na kato­dzie, między elek­tro­dami pow­staje różn­ica poten­cja­łów. Po połącze­niu elek­trod ogniwa prze­wod­ni­kiem zaczyna więc pły­nąć prąd elek­tryczny, mogący wyko­nać okre­śloną pracę.

Sza­nowny Czy­tel­nik przy­zna z pew­no­ścią, że tlen wydaje się dosyć nie­po­ręczny jako mate­riał na elek­trodę ogniwa. Pamiętajmy, że gazowy tlen prak­tycz­nie nie prze­wo­dzi prądu elek­trycz­nego. Z pomocą przy­cho­dzi nam tutaj węgiel akty­wo­wany – dzięki sil­nie roz­wi­niętej powierzchni i zdol­no­ści do absorp­cji spraw­dza się dosko­nale jako rezer­wuar gazu. Prze­wo­dzi też dosyć dobrze prąd elek­tryczny, dzięki czemu umożl­i­wia odbiór ładun­ków, które są prze­ka­zy­wane dalej do gór­nej war­stwy folii alu­mi­nio­wej. Pełni ona jedy­nie rolę kolek­tora ładun­ków z posz­cze­gól­nych zia­ren węgla i nie uczest­ni­czy w reak­cjach che­micz­nych.

Tak zbu­do­wane ogniwo ma dosyć wysoki opór wew­nętrzny, m.in. z powodu małej powierzchni kon­taktu zia­ren gra­fitu z kolek­to­rem. Ści­śnięcie ogniwa powo­duje polep­sze­nie styku i zmniej­sze­nie oporu wew­nętrz­nego ogniwa, co pociąga za sobą możl­i­wość uzy­ski­wa­nia więk­szych natężeń prądu.

Czy rze­czy­wi­ście w reak­cji jest zuży­wany tlen? Można się o tym prze­ko­nać szcze­gól­nie łatwo w minia­tu­ro­wej wer­sji ogniwa (Fot.8, Fot.9), pokry­wa­jąc ziarno węgla aktyw­nego np. para­finą. Blo­kuje ona dostęp powie­trza, przez co zapas tlenu zostaje sto­sun­kowo szybko zużyty i ogniwo prze­staje pra­co­wać.

Ogniwo gli­nowo-tle­nowe nie jest jedy­nie labo­ra­to­ryjną cie­ka­wostką. Jest ono brane pod uwagę (oczy­wi­ście po daleko idących mody­fi­ka­cjach) jako źródło ener­gii np. w samo­cho­dach elek­trycz­nych [8].

Lite­ra­tura:

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa