De alkaline batterij, chemisch uitgelegd

Een batterij is een galvanische cel of een groep galvanische cellen die in serie verbonden zijn en die in een zodanige vorm en samenstelling is ontworpen zodat ze praktisch bruikbaar is voor het brede publiek. De opgewekte spanning binnen een batterij wordt veroorzaakt door een spontaan optredende redoxreactie.

• Galvanische cellen
• Voorbeeld: de mangaan-zink galvanische cel
• Batterijen
• Voorbeeld: de mangaan-zink batterij (de alkalinebatterij)
• Vergelijking van de galvanische cel en de commerciële batterij

Galvanische cellen

Een galvanische cel levert elektrische energie, wat een stroom van elektronen is. Deze elektronenstroom is het gevolg van een spontaan opgaande redoxreactie. Een redoxreactie is een reactie tussen een oxidator en een reductor waarbij de reductor elektronen afgeeft aan de oxidator. Indien een redoxreactie gewoon doorgaat in bijvoorbeeld een bekerglas, dan zal deze redoxreactie geen praktisch bruikbare elektronenstroom leveren. Maar indien de twee halfreacties doorgaan in gescheiden bekers enerzijds met elkaar verbonden via een zoutbrug en anderzijds via twee elektroden met elkaar verbonden via een geleidende draad, dan zullen de elektronen afgegeven door de reductor zich een weg banen naar de oxidator via de geleidende draad. Indien er een elektrische verbruiker wordt geschakeld binnen deze geleidende draad, dan zullen deze elektronen door deze verbruiker bewegen en krijgt de verbruiker alzo de nodige elektriciteit om te kunnen functioneren.

Voorbeeld: de mangaan-zink galvanische cel

Onderstaande koppels zullen in deze cel van elkaar gescheiden zijn.

• Mn⁴⁺/Mn³⁺
• Zn²⁺/Zn

Zn is een sterkere reductor dan Mn³⁺ en Mn⁴⁺ is een sterkere oxidator van Zn²⁺. Dit heeft als gevolg dat Zn elektronen zal afgeven aan Mn⁴⁺. Onderstaande halfreacties zullen dus opgaan.

• Oxidatie: Zn → Zn²⁺ + 2e^-
• Reductie: 2Mn⁴⁺ + 2e^- → 2Mn³⁺

In de beker waar de oxidatie doorgaat, kan een zinken plaatje fungeren als anode, de negatieve elektrode. Omdat het andere koppel alleen bestaat uit ionen in oplossing, dient in deze beker een inerte elektrode te worden gebruikt, bijvoorbeeld een koolstof(C)-elektrode, de positieve elektrode.

De elektronen zullen via de geleidende draad van de zink-elektrode naar de koolstof(C)-elektrode bewegen. Langs de geleidende draad loopt dus elektriciteit die kan benut worden door een elektrische verbruiker. De zoutbrug zorgt voor het behoud van de ladingsbalans. Een zoutbrug kan bijvoorbeeld bestaan uit een ZnCl₂-oplossing. In de beker waar de oxidatie doorgaat worden continu Zn²⁺-ionen aangemaakt, positieve ladingen dus. Uit de zoutbrug zullen negatief geladen Cl^--ionen diffunderen om als tegenion op te treden voor de gevormde positieve ladingen. In de beker waar de reductie opgaat, zullen Mn⁴⁺-ionen worden omgezet in Mn³⁺-ionen. Het aantal positieve ladingen neemt in deze beker dus af. Er zullen vanuit de zoutbrug Zn²⁺-ionen naar deze beker diffunderen om deze verloren positieve ionen te compenseren.

Zulke galvanische cellen zijn uiteraard niet praktisch in gebruik. Daarvoor werden commerciële batterijen ontwikkeld, die eigenlijk gewoon galvanische cellen zijn maar dan in een praktisch bruikbare vorm.

Batterijen

Batterijen zijn praktisch bruikbare en in de handel verkrijgbare galvanische cellen. De waterige oplossingen worden hier vervangen door geconcentreerde oplossingen die eerder een pasta vormen. De klassieke alkaline batterij is opgebouwd zoals de boven beschreven galvanische cel maar dan in een praktisch bruikbare uitvoering. Het is een basische batterij wat de aanwezigheid van oxides i.p.v. ionen verklaart.

Voorbeeld: de mangaan-zink batterij (de alkalinebatterij)

Volgende halfreacties gaan door in deze batterij

• Oxidatie: Zn +2OH^- → ZnO + 2e^- + 2H₂O
• Reductie: 2Mn(IV)O₂ + 2e^- + H₂O → Mn(III)₂O₃ + 2OH^-

Vergelijking van de galvanische cel en de commerciële batterij

De zink-elektrode in de alkaline batterij vormt het omhulsel van de batterij en de koolstof-elektrode bevindt zich in het midden van de batterij. De positieve pool van de batterij is het stukje van de koolstofelektrode dat bovenaan buiten de batterij steekt. De negatieve pool is de onderkant van de batterij, het zinken omhulsel dus. Rond de koolstof-elektrode bevindt zich de oxidator van de batterij, MnO₂. Het zinken omhulsel van de batterij is de reductor. Zink wordt tijdens het gebruik van de batterij omgezet in ZnO wat zich aan de binnenkant van het zinken omhulsel afzet. MnO₂ wordt omgezet in Mn₂O₃ wat zich ook afzet tegen het aanwezige MnO₂. De elektronen die vrijkomen bij de oxidatie van zink bewegen zich dus via de verbruiker, die hierdoor kan functioneren, naar de koolstof-kathode. De elektroden kunnen dus met elkaar worden verbonden via het elektrisch circuit van de verbruiker. In een batterij bevindt de zoutbrug, net zoals in de galvanische cel, zich tussen beide oplossingen.