Eerst een beetje scheikunde

Natrium (metaal) heeft een electron te veel en chloor heeft een electron te weinig. Brengen we deze twee elementen samen, dan ontstaat er NaCl of keukenzout (met de nodige vuurverschijnselen, want de reactie is zeer hevig). Natrium heeft zijn electron (negatief geladen) afgestaan aan het chloor en heeft daardoor een positieve lading gekregen terwijl het chloor een negatieve lading gekregen heeft. Er ontstaat een verbinding van natrium en chloor, de verschillende electrische lading zorgt ervoor dat de elementen aan elkaar vastzitten. Door de sterke ionische binding is keukenzout zeer stabiel en heeft niet de neiging om te reageren met andere stoffen.

In een oplossing gaan de elementen uit elkaar, maar de lading blijft bestaan. We hebben dan positief galaden natrium ionen en negatief geladen chloor ionen. Omdat de elementen een volle schild hebben zijn ze weinig reactief, maar ze kunnen wel electriciteit (een beweging van electronen) overbrengen. Deze oplossingen zijn electrolieten: er zijn ionen in de oplossing.

Werking van een batterij

Aan de cathode (de koperkant) ontstaat er waterstofgas. Het zou ons te ver leiden hoe waterstof hier kan ontstaan, maar vergeet niet: aan de cathode ontstaat er waterstofgas als de electroliet water gebaseerd is.

In een normale batterij is het koper vervangen door koolstof, die als voordeel heeft een grotere spanning te leveren (koolstof is minder electropositief dan dan koper). De werking van de batterij blijft echter identiek.

De benamingen electropositief en electronegatief worden vaak samen gebruikt: een metaal is electropositief en edele metalen zijn minder electropositief (of meer electronegatief). Om verwarring proberen te vermijden is de neiging tegenwoordig om enkel te benaming electronegatief te gebruiken: zink is dus minder electronegatief.

Waterstofgas heeft als nadeel dat het niet geleidend is, waardoor de inwendige weerstand van de batterij verhoogt. Na een paar minuten loopt er nagenoeg geen stroom meer door de batterij. Als het waterstof uit de batterij geraakt gaat er opnieuw stroom lopen.

Om dit effect te vermijden wordt de pluspool van de batterij omgeven door een zogenaamde depolarisator die het waterstof gretig gaat opnemen. In een normale batterij is dat mangaandioxide vermengd met koolstofpoeder.

De informatie loopt verder in een pagina over de batterijen: we bespreken de zink-koolstof batterijen (de normale batterijen), maar ook de alkaline batterijen (die eigenlijk maar veredelde zink-koolstof batterijen zijn).

Opnieuw opladen van batterijen

Het zou perfect zijn als het zink een mooie laag op de electrode zou vormen, maar helaas gebeurt dit niet en er ontstaan dendrieten (dit zijn een soort stalagmieten) die uiteindelijk een brug vormen tussen beide electrodes en een kortsluiting vormen.

Zink is dus moeilijk te gebruiken in batterijen die opnieuw opgeladen moeten worden. Maar in plaats van zink kan men nikkel en ijzer gebruiken, ijzer als anode en nikkel als cathode. Er bestaan dus nikkel-ijzer oplaadbare batterijen (zie afbeelding links). Later is het ijzer vervangen door een samenstelling van verschillende metalen om betere eigenschappen te hebben (NiMH batterijen).

Maar ijzer is minder electropositief dan zink, waardoor de klemspanning lager is dan met een zinkanode, namelijk 1.2V in plaats van 1.5V (dit is het grootste nadeel van dze oplaadbare batterijen).

Om dit nadeel te vermijden wordt er nog steeds onderzoek gedaan naar nikkel-zink batterijen. Deze hebben nog altijd het nadeel dat het zink niet mooi op de zinkelectrode neerslaat. De batterij kan daardoor in kortsluiting gaan: de betrouwbaarheid van dergelijke batterijen is dus zeer laag.

Galvanische bescherming door zink electrode

Zink is een zeer electropositief metaal, daarom dat die ook in batterijen gebruikt wordt, samen met een electronegatief materiaal (een grafietstaaf). Als de batterij stroom levert wordt het zink verteerd (gaat in de oplossing).

Bij galvanische bescherming gaat men een zinkblok opofferen om een stalen constructie te beschermen tegen het roesten. Het zinkblok is de anode en het staal de cathode. Bij grote constructies zoals schepen en pijpleidingen zal men meerdere zinkblokken gebruiken.

Langzamerhand wordt het zink weggevreten en als er nog 10% zink overblijft moet de electrode vervangen worden. De afbeeldingen rechts geven het oplossen van de zinkelectrode weer. De zinkelectrode wordt soms offerblok genoemd. De zinkanode moet een goed electrisch contact maken met de scheepshuid dat beschermd moet worden anders werkt de bescherming niet.

De kathodische bescherming (bescherming van het staal) wordt op schepen gebruikt om de stalen huid te beschermen, maar ook leidingen, reservoirs en andere constructies moeten beschermd worden.

Koperen installaties moeten beschermd worden door een ijzeren electrode (ijzer is goedkoper dan zink). Als men zink moet beschermen, dan zal men een nog meer electropositief metaal moeten gebruiken zoals aluminium en zelfs magnesium. Deze metalen worden eveneens gebruikt als de electrische geleidbaarheid slecht is (gezuiverd water, droge grond, enz).

De cathodische bescherming van schepen is belangrijk in de buurt van de schoeven die uit brons of messing bestaan. Dit zijn metalen die minder electropositief zijn dan staal en die dus een aantasting van het staal teweeg brengen. Het staal dient hier als beschermingselectrode voor het brons, wat hier natuurlijk ongewenst is: men moet meerdere zinkelectrodes in de buurt van de schroeven plaatsen om het aantasten van de staalhuid van het schip tegen te gaan.

Men heeft het over

• galvanische bescherming als men opofferingsanode gebruikt en over
• cathodische bescherming als men een electrische stroom (ICCP: Impressed Current Cathodic Protection) gebruikt