Gepubliceerd op 29-01-2021

Galvanisch element

betekenis & definitie

stroom-opwekker, een verbinding van twee electrische leiders van de eerste orde met minstens één leider van de tweede orde, tot het opwekken van een galvanischen stroom (zie ald).

Het Volta’sche element, het oudste toestel ter opwekking van electrischen stroom, bestaat uit een koperplaat en een zinkplaat, tegenover elkander geplaatst in een glas, dat voor ongeveer 2/3 gevuld is met verdund zwavelzuur. Verbindt men nu de boven de vloeistof uitstekende einden der platen met een koperdraad, dan begint er een electrische stroom door het toestel te loopen, en wel in het koperdraad van het koper naar het zink en in de vloeistof weer van het zink naar het koper, zoodat er een volledige kringloop wordt gevormd. Buiten de vloeistof is alzoo het koper de positieve en het zink de negatieve pool. De negatieve electriciteit vloeit in tegenovergestelde richting. In de vloeistof veroorzaakt de electrische stroom scheikundige ontledingen. Zoo b.v. wordt binnen het gesloten Volta’sche zink-koper-element het zwavelzuur (H2 SO4) in H2 en SO4 ontleed, welke laatste zich met het zink (Zn) tot Zn SO4 verbindt, terwijl zich aan de koperplaat waterstof afzet: dit laatste verzwakt den stroom, en wel wijl het een electromotorische tegenkracht (zie Blectriciteit, sub-onderwerp Electrische polarisatie) voortbrengt, daar zijn oplossingstensie grooter is dan die van het koper. Wil men derhalve den stroom zooveel mogelijk constant houden, dan moet de waterstof van de koperplaat worden verwijderd. Dit kan geschieden zoowel door mechanische kunstgrepen als door hare oxydatie met zuurstofrijke zuren, oxyden endergelijke. De onderdrukking der door de waterstof teweeg gebrachte polarisatie noemt men depolarisatie van het element. Wordt door de polarisatie de stroomsterkte van het element gedurende langeren tijd gelijkmatig gehouden, zoo noemt men het element constunt; daarentegen heeten de in hun stroomsterkte veranderlijke elementen 'mconstant. Tot 1836 kende men uitsluitend inconstante elementen; tot de beste uit dien tijd behoort dat van Wollaston (1815) Bij de inconstante elementen werkt in den aanvang de in de vloeistof voorhanden atmospherische zuurstof als depolisator. Wijl het zink in het gesloten element wordt opgelost, noemt men het zink ook wel optossiitt/s-electrode; Daniell noemde het de stroomkweekende electrode; de zinkplaat wordt, wijl ze slechts stroomafleidend werkt, aileidingselectrode geheeten. Teneinde de oppervlakten der metaalplaten te vergrooten, buigt men deze laatste dikwijls tot holle cylinders, die men dan den een in den ander zet: of men geeft de platen een golvende of Svormige gedaante. Het zwavelzuur wordt gewoonlijk zoo verdund, dat op 1 liter zwavelzuur 12 liter water en voor krachtige elementen 4 liter water komen.

De constante elementen dateeren van 1836; het oudste en nog tegenwoordig zeer goed bruikbare is dat van Daniell. Het bestaat (zie nevenstaande fig.) uit ’n cylindrisch gebogen zinkplaat Z, die in verdund zwavelzuur staat; hierop volgt een diaphragma, I), bestaande uiteen poreusen koker van pijpaarde of onverglaasde fijne aarde,waarin een oplossing v. kopervitriool (kopersulfaat), benevens ’n hollen cylinder C v. koper:’t geheel wordt opgesteld in een glazen vat V; aan de cylinders van zink en koper worden twee dunne koperen strooken bevestigd, die de galvanische draden of electroden van het element vormen Zoolang deze draden niet onderling in gemeenschap zijn gebracht is het toestel werkeloos; doch zoodra die gemeenschap is ingesteld, begint de chemische werking; het water wordt ontleed en het zwavelzuur tast het zink aan, dat negatief-electriscli wordt, terwijl liet verdunde zuur positief-electrisch wordt. Hit dit laatste begeeft de positieve electriciteit zich, doorliet diaphragma heen, in de koperoplossing, en eindelijk op het koper C, dat dus de positieve pool wordt. De waterstof, voortkomende uit de ontleding van het water, wordt medegevoerd in de richting van den inwendigen stroom en vloeit in de koperoplossing, welker oxyde zij herleidt en het koper tot den metaalstaat terugbrengt dat nu een lossen nederslag op den cylinder C vormt. Gevolgelijk blijft het oppervlak van dezen steeds indentisch hetzelfde, en er lieeit geen nederzetsel van waterstof op het koper plaats. Eindelijk, het zinkoxyde, dat uit de ontleding van het zwavelzure zink door den inwendigen stroom in de kolom kan ontstaan, gaat niet door het poreuse vat en blijft, in de oplossing zelve waarin het zink is gedompeld. Gedurende dezen ohemisehen arbeid zonde kopersulfaat-oplossing spoedig verarmen: doch door hier kristallen van zwavelzuur koper in te hangen, die dan van lieverlede worden opgelost, behoudt de oplossing bestendig denzelfden graad van concentratie. Het zwavelzuur dat vrij is geworden uit de oplossing van het zwavelzure koperoxydo. gaat. gelijktijdig met de zuurstof van het water, naar het zink, tenei: de dit in zwavelznut zink te vervormen: en daar het uit (ie koperoplossing vrijworden van het zwave: zuur tamelijk regelmatig geschiedt, zoo is de werking van het zuur op het zink dit. ook. waaruit een bestendige stroom ontstaat. Vrat den aard der polen betreft, de aan het zink verbonden pooldraad is negatief, de aan ’tkoper gehechte positief. Met tot een batterij vereenigde Daniell-eiementen kan men. gedurende eenigc dagen, zelfs maanden constante stroomen verkrijgen, wanneer men slechts zorgt de oplossing van zwavelzuur koper in den staat van verzadiging te houden, door er van tijd tot tijd kristallen van dit zout bij te voegen. In het. Danielielement moeten de kristallen van zwavelzuur koper vrij dikwijls vernieuwd worden; bovendien, daar de verdamping gemakkelijk plaats heeft, kristalliseert het zwavelzure zink en stijgt op tegen de 'wanden van het poreuse vat, waardoor een schadelijke geleidbaarheid ontstaatover het diaphrngma heen, dat de beide vochten scheidt. Deze bezwaren verdwijnen 5n de bolMom van Yérdé te Beauvais. In een aarden vat w onH zeer sb.p zwavelzuur, of zelfs zuiver water gedaan, lu'r vocht staat een cylinder van zink. voorts in dezen een poreus vat, gevuld met een verzadigde oplossing van zwavelzuur koper. In deze oplossing reikt, de hals van een glazen bol of ballon, gevuld met kristallen, van hetzelfde zout en met water. De hals is slechts ten deele gesloten door eerie aan beide zijden ingekerfde stop. Zoodra bij gevolg het niveau beneden den hals daalt, gaat er cene luchtbel in den bol en een gelijk volumen verzadig o vocht vloeit er uit, hetgeen een constant o' bestendig niveau ten gevolge heeft. Bovendien, daar het element bijna gesloten is, gaat de verdamping langzamer voort en de op stijgende kristallen zijn minder beduidend; de kolom blijft dan ook een zeer langen tijd aan den gang, zonder eenig toezicht noodig te hebben. Bij het ook veelvuldig gebezigde element van Meidinger (1859) is het diaphragma weggelaten.

De kopercylinder k (zie nevenstaand figuur) staat in een met kopervitriool-oplossing gevuld glas b,ende zinkcylinder z in een met een zinkvitriool- of bitterzout-oplossing gevuld glas G; het verbruikte kopervitriool wordtaangevuld uit de flesch B, waarin zich kopervitrioolkristallen en verzadigde oplossing bevinden ; K en Z zijn de van k en z uitgaande pooldraden. Dit ballon-element, dat maandenlang zonder vernieuwing of toezicht blijft doorwerken, wordt veelvuldig gebruikt voor spoorwegtelegraphen. Bij het element van Grove (1839), dat bijna tweemaal zooveel electromotorische kracht ontwikkelt als dat van Daniell, vormt een in geconcentreerd salpeterzuur staande platina-plaat de negatieve electrode; overigens wordt het geheel opgebouwd als het Daniell-element. Vervangt men bij het element van Grove het dure platina door coke of een andere plastische minerale kool, zoo verkrijgt men het nagenoeg even sterke Bunsensche element (1841), ook wel kool-zink-element geheeten: bij dit element werkt het salpeterzuur depolariseerend, dewijl het de waterstof tot water oxydeert, waarbij ondersalpeterzuur wordt gevormd. Zoolang bij het Bunsensche element het zink en de kool niet in gemeenschap zijn gebracht, blijft de batterij werkeloos; maar zoodra de gemeenschap is ingesteld door een geleiddraad, begint de chemische werking. Het water waarin het zink is gedompeld wordt door dit metaal en door het zwavelzuur ontleed, terwijl er tegelijkertijd zwavelzuur zinkoxyde wordt gevormd; dit metaal wmrdt negatief-electrisch en de negatieve pool van het element; daar het zwavelzuur integendeel positief-electrisch wordt, zoo gaat de positieve electriciteit door het poreuse vat heen in het salpeterzuur, en rondom op de kool, die aldus de positieve pool wordt. De waterstof die uit de ontleding van het water voortkomt, zet zich niet af op de kool, maar herleidt het salpeterzuur en vormt het om in ondersalpeterzuur, door zich meester te maken van een cequivalent zuurstof om water te maken. Het zwavelzure zink-oxyde dat er ontstaat, wordt ten deele, als in de elementen met een enkel vocht, ontleed door den inwendigen stroom, en hier geeft deze ontleding het aanzijn aan zwavelzuur, dat zich op het zink zet, en aan zink-oxyde, dat, niet door het poreuse vat kunnende dringen om zich naar de kool te begeven, in het buitenste vat blijft. De kool behoudt alzoo een volkomen zuivere oppervlakte, en dit vooral brengt veel toe om den stroom in zijne kracht te houden. Evenwel bestaan er nog drie oorzaken van verzwakking; le Daar er altijd slechts een gedeelte van het zwavelzuur zink dat uit de chemische werking voortkomt, ontleed wordt, zoo neemt het vrije zwavelzuur voortdurend af: eene oorzaak van verzwakking die niet bij de kolom van Daniell bestaat. 2e Daar het salpeterzuur meer en meer aan zuurstof verarmt, wil de waterstof zich op de kool afzetten. 3e Het zink-oxyde en de vreemde in dit metaal begrepen zelfstandigheden zetten zich neder op het poreuse vat en verstoppen allengs zijne poriën, zoodat de stroom meer en meer moeilijk er doorheen dringt. Deze verschillende oorzaken brengen teweeg, dat de stroom vrij snel vermindert. Het element van Bunsen heeft bovendien nog het ongerief van onder-salpeterzure dampen te verspreiden, die zeer hinderlijk zijn, vooral bij een eenigszins groot getal paren. Een wijziging van het Bunsensche element is dat van Marie Davy, met zwavelzuur kwik. Andere elementen zijn nog het chroomzuurelement van Grenet, l'ollak’s regeueratiefelement, het cupron-element van Lalande en Chaperon, het element van Leclanché (18(58): dit laatste, wegens zijn langdurige werkzaamheid veelvuldig gebezigd voor huis-telegraphie, bestaat uit een zinkstaaf, geplaatst in een salmiak-oplossing, die door de poriën of gaten eener aarden cel toegang heeft tot een hoeveelheid stukjes mangaansuperoxyd (bruinsteen) en kool, waarvan als afleidingselectrode een plastische koolplaat uitgaat; worden beide electroden door een geleiddraad in gemeenschap gebracht, of m.a.w. wordt het element gesloten, dan verbindt het zink zich met het chloor van de salmiak tot chloorzink, terwijl zich in het inwendige der aarden cel ammoniak en waterstof vormen; het laatste onttrekt onder watervorming aan het mangaansuperoxyd zuurstof, waarbij van den bruinsteen een residu overblijft dat sesquioxyd heet.

Over de vereeniging van meerdere elementen tot een batterij, zie Batterij.

Onder normaal-elementen verstaat men zoodanige hydroketens (uit metalen en electrolyten opgebouwde elementen), welke geschikt zijn om als maat eener eleetro-motorische kracht te dienen. Aan zoodanig normaal element moeten de volgende eischen gesteld: zijn eleetro-motorische kracht moet onder gelijke uitwendige omstandigheden (temperatuur) tijdelijk constant blijven en mag ook bij toevoer of ontneming van stroom niet veranderen, zoo lang hierbij een zekere grens niet wordt overschreden; ook moet het reproduceerbaar zijn. Geen der boven besproken elementen voldoet aan deze voorwaarden. Wanneer men bijv. een Daniëll-element stroom toevoert, die tegen den door het element zelf geleverden stroom ingaat, dan ontwikkelt zich aan de zinkpool waterstof en de daardoor teweeggebrachte polarisatie doet de electro-motorische kracht van het element afnemen; het element voldoet derhalve ten deele niet aan de bovengenoemde voorwaarden ; het is niet-omkeerbaar (irreversibel); om het omkeerbaar (reversibel) te maken, moet het zwavelzuur vervangen worden door zinksulfaat; alsdan wordt bij de eene stroomrichting koper aan de koperpool, bij de andere zink aan de zinkpool neergeslagen, en de electroden ondergaan geenerlei verandering, zij zijn onpolariseerbaar. Een normaaielement moet derhalve onpolariseerbare electroden hebben, m. a. w., de metallieke electroden moeten omgeven zijn door electrolyten, wier positieve jonen uit hetzelfde metaal bestaan als de electroden zelf. Om voorts nog die veranderingen der electro-motorische kracht onmogelijk te maken, welke uit wijzigingen in de concentratie der gebezigde electrolyten zouden kunnen voortvloeien, voegt men aan de verzadigde oplossing nog vast zout toe. Een zoodanig normaal-element is dat van Latimer Clark (zie nevenstaande figuur). De positieve pool wordt gevormd door kwikzilver, dat bij q den bodem van een reagens-glas bedekt ; het ontnemen van stroom geschiedt door een in een glazen buis geïsoleerd ingebrachten platinadraad p. Het kwikzilver grenst aan een verzadigde oplossing van mercurosulfaat (Hg? S04) in den vorm van een deegachtige pap 1, hierboven bevind! zich een geconcentreerde oplossing van zinksulfaat, die door toegevoegde vaste kristallen k in den toestand van verzadiging wordt gehouden; in deze oplossing wordt een zinkstaaf z gedompeld, die de negatieve pool van het element vormt. Bij v wordt het toestel luchtdicht afgesloten. Levert het element stroom, dan wordt er zink opgelost en aan de positieve pool scheidt zich kwikzilver af, terwijl bij den doorgang van stroom in tegengestelden zin het omgekeerde plaats heeft. De electro-motorische kracht van het Clark-element is overeenkomstig nauwkeurige metingen gelijk 1,4328 volt bij 15° Celsius; zij neemt in de omgeving dezer temperatuur per graad temperatuursvermindering 0,0012 volt af. Een belangrijk geringere verandering der electro-motorische kracht met de temperatuur vertoont het cadmium-normaal-element van Weston, een wijziging van het Clark-element, waarbij het zink door cadmium, het zinksulfaat door cadmiumsulfaat wordt vervangen. De electromotorische kracht van dit element bedraagt 1,0186 volt bij 20° C. en verandert bij kamertemperatuur per graad slechts ongeveer met 1 honderdduizendste dezer waarde.

Bij de droge elementen wordt de electrolytische vloeistof vervangen door een halfvast lichaam. In den regel worden kool en zink als electroden gebezigd; in vele gevallen dient de zink-electrode tevens tot vat. De electrolyt wordt hetzij geleiachtig aangemengd of aan een poreus lichaam toegevoegd, zoodat een in de praktijk als droog aan te merken lichaam ontstaat. De droge elementen zijn in hun grootere vormen (omstreeks 15—20 centimeter hoog) zeer geschikt voor huistelegraphen, in de kleinere inzonderheid voor eleetrische metingen. Zie ook Droge batterij.

Alle tot dusver besproken elementen worden gezamenlijk met den naam hydro-electrische aangeduid, wijl bij elk hunner minstens eene vloeistof tusschen twee vaste leiders voorkomt, niet te verwarren met de vloeistofketen, bij welke de electro-motorische kracht haar zetel heeft aan het aanrakingspunt van tweeërlei vloeistoffen. Terwijl de eerste, inzonderheid de constante hydro-electrische batterijen, een geheele reeks van toepassingen hebben gevonden, zijn de laatste voor de praktijk waardeloos gebleven. De gasketens (gas-element van Grove, 1839), bij welke een electrische stroom ontstaat door de chemische verbinding van twee gassen (bv. zuurstof en waterstof], berusten op de electrische polarisatie, evenals de electrische accumulatoren en de secondaire batterijen of ladingszuilen. Literatuur: Hauck, Die galvanischen Batterien, Accumulatoren und Thermosäulen G Weenen 1897), Carhart en Sch o op, Die Primärelemente (Halle 1.895), Peters, Die Primärund Sekuitdarelemeute (Halle 1897), Kollert, Die galvanischen und thermo-elektrischen. Stromquellen (Leipz. 1900), Zacharias, Galvanische Elemente der Neuzeit (Halle 1899).