سلول الکتروشیمیایی

نمودار یک سلول الکتروشیمیایی با پیکربندی مشابه سلول دانیل . دو نیمه سلول توسط یک پل نمکی به هم متصل شده اند که به یون ها اجازه می دهد بین آنها حرکت کنند. الکترون ها . در مدار خارجی جریان دارند

پیل الکتروشیمیایی وسیله ای است که قادر به دریافت انرژی الکتریکی از واکنش های شیمیایی (یا تولید واکنش های شیمیایی از طریق وارد کردن انرژی الکتریکی، زمانی که سلول در حال شارژ شدن است) می باشد. یک مثال رایج از یک سلول الکتروشیمی است باتری (به عنوان مثال، 1.5 ولت استاندارد یا 1.2 قابل شارژ )، که یک سلول گالوانیکی ساده است، در حالی که یک باتری الکتریکی از چندین سلول به صورت سری یا موازی تشکیل شده است.

یوهان ویلهلم ریتر ، فیزیکدان و فیلسوف آلمانی، اولین سلول الکتروشیمیایی را در سال 1802 با 50 دیسک مسی ساخت که توسط دیسک های مقوایی مرطوب شده با محلول نمکی از هم جدا شده بودند. ¹ ²

انواع سلول های الکتروشیمیایی

سلول الکترولیتی، نشان دهنده الکترودها و منبع انرژی که جریان الکتریکی را تولید می کند.

به نوع دیگر انجام می شود دو نوع اساسی سلول وجود دارد و در هر دو یک واکنش ردوکس و تبدیل یا تبدیل یک نوع انرژی :

سلول گالوانیکی یا سلول ولتایی به جریان الکتریکی تبدیل می کند یک واکنش شیمیایی خود به خود را مانند سلول ها و باتری ها . کاربرد زیادی دارند و به همین دلیل است که بیشتر نمونه ها و تصاویر این مقاله به آنها اشاره دارد.

سلول الکترولیتی یک جریان الکتریکی را به یک واکنش شیمیایی کاهش اکسیداسیون تبدیل می کند که . نمی شود خود به خود انجام تجزیه می شود، در بسیاری از این واکنش ها، یک ماده شیمیایی به همین دلیل است که این فرآیند الکترولیز نامیده می شود . شناخته می شود همچنین به عنوان سلول الکترولیتی . برخلاف سلول ولتایی، در سلول الکترولیتی دو الکترود نیازی به جدا شدن ندارند، بنابراین یک ظرف واحد وجود دارد که دو نیمه واکنش در آن انجام می شود.

نیم سلول یا نیمه واکنش در یک سلول ولتایی

پشته بونسن که توسط رابرت بونسن اختراع شد .

یک سلول گالوانیکی یا سلول ولتایی شامل دو نیم سلول است که به طور الکتریکی توسط یک هادی فلزی و همچنین توسط یک پل نمکی به هم متصل شده اند . هر نیم سلول از یک الکترود و یک الکترولیت تشکیل شده است . دو نیم سلول می توانند از یک الکترولیت استفاده کنند یا می توانند از الکترولیت های متفاوت استفاده کنند. واکنش های شیمیایی در سلول ممکن است شامل الکترولیت، الکترودها یا یک ماده خارجی باشد (مانند سلول های سوختی که می توانند از گاز هیدروژن به عنوان واکنش دهنده استفاده کنند). در یک سلول ولتایی کامل، گونه های شیمیایی یک نیم سلول الکترون (اکسیداسیون) را به سمت الکترود خود از دست می دهند در حالی که گونه های نیم سلول دیگر از الکترود خود الکترون می گیرند (کاهش). پل نمکی اغلب برای ایجاد تماس یونی بین دو نیمه سلول با الکترولیت های مختلف استفاده می شود تا از مخلوط شدن محلول ها و ایجاد واکنش های جانبی ناخواسته جلوگیری شود. ³ این پل نمکی ممکن است به سادگی یک نوار کاغذ صافی باشد که در محلول اشباع شده خیس شده است. نیترات پتاسیم . دستگاه های دیگر برای دستیابی به جداسازی محلول ها، رگ های متخلخل و محلول های ژلی هستند. یک ظرف متخلخل در پشته Bunsen (سمت راست) استفاده می شود.

آنها را نیمه واکنش نیز می نامند زیرا در هر یک از آنها بخشی از واکنش ردوکس انجام می شود:

از دست دادن الکترون ها ( اکسیداسیون ) در آند صورت می گیرد .
افزایش الکترون ( کاهش ) در کاتد .

واکنش تعادلی

هر نیم سلول دارای یک ولتاژ مشخصه به نام پتانسیل نیم سلول یا پتانسیل کاهش است . مواد مختلفی که می‌توان برای هر نیم سلول انتخاب کرد، تفاوت‌های پتانسیل متفاوتی را در سلول کامل ایجاد می‌کند، که این پارامتری است که می‌توان اندازه‌گیری کرد. اندازه گیری پتانسیل هر نیم سلول امکان پذیر نیست، بلکه تفاوت بین پتانسیل هر دو ممکن است. هر واکنش در حال انجام یک واکنش تعادلی بین حالت‌های مختلف اکسیداسیون یون‌ها است. هنگامی که تعادل حاصل می شود، سلول نمی تواند ولتاژ بیشتری را تامین کند. در نیم سلولی که در حال اکسیداسیون است ، هر چه یون/اتم با مثبت ترین حالت اکسیداسیون به تعادل نزدیکتر باشد ، این واکنش پتانسیل بیشتری خواهد داد. به طور مشابه، در واکنش احیا ، هرچه یون/اتم با بیشترین حالت اکسیداسیون منفی از تعادل دورتر باشد، پتانسیل بالاتر است.

پتانسیل های الکترود و نیروی حرکتی یک سلول

پتانسیل یا نیروی الکتروموتور یک سلول را می توان از طریق استفاده از پتانسیل های الکترود، ولتاژ هر نیم سلول پیش بینی کرد. ( جدول پتانسیل الکترود استاندارد را ببینید .) اختلاف ولتاژ بین پتانسیل های کاهش هر الکترود پیش بینی پتانسیل سلول اندازه گیری شده را می دهد.

${\displaystyle E_{cell}\ =\ E_{c{\acute {a}}all}\ -\ E_{{\acute {a}}node}} افزایش سلول Bunsen رابرت بونسن$

پتانسیل باتری دارای محدوده احتمالی 0 تا 6 ولت است. باتری هایی که از الکترولیت های محلول در آب استفاده می کنند معمولا پتانسیل سلولی کمتر از 2.5 ولت دارند ، زیرا اکسید کننده ها و احیا کننده های بسیار قوی که برای تولید پتانسیل بالاتر مورد نیاز هستند، تمایل به واکنش با آب دارند.

انواع سلول های گالوانیکی

انواع اصلی سلول الکتروشیمیایی

سلول ها یا سلول های گالوانیکی به دو دسته بزرگ طبقه بندی می شوند:

تبدیل می کنند سلول های اولیه شیمیایی انرژی به انرژی الکتریکی را به طور غیرقابل برگشت (در محدوده عمل) . هنگامی که مقدار اولیه معرف های موجود در سلول تخلیه می شود، توان به راحتی نمی تواند با وسایل الکتریکی به سلول الکتروشیمیایی بازیابی یا برگردانده شود. ⁴
را می‌توان سلول‌های ثانویه شارژ کرد، یعنی می‌توانند واکنش‌های شیمیایی خود را با تامین انرژی الکتریکی به سلول معکوس کنند تا زمانی که ترکیب اولیه خود را بازیابی کنند. ⁵

سلول های گالوانیکی اولیه

مقاله اصلی: سلول اولیه

باتری سرب اسید ، از یک ماشین.

سلول های گالوانیکی اولیه می توانند بلافاصله پس از اتصال جریان تولید کنند. باتری های یکبار مصرف فقط برای یک بار استفاده در نظر گرفته شده و متعاقبا دور ریخته می شوند. باتری های یکبار مصرف را نمی توان به طور قابل اعتماد شارژ کرد، زیرا واکنش های شیمیایی به راحتی معکوس نمی شوند و مواد فعال نمی توانند به شکل اولیه خود بازگردند.

آنها به طور کلی چگالی انرژی بالاتری نسبت به سلول های قابل شارژ دارند، ⁶ عملکرد خوبی ندارند اما سلول های یکبار مصرف در کاربردهای با زهکشی بالا با بارهای کمتر از 75 اهم (75 Ω) ⁷

سلول های گالوانیکی ثانویه

مقاله اصلی: باتری قابل شارژ

باتری سرب اسید، تنظیم شده توسط شیر آب بندی، بدون تعمیر و نگهداری.

سلول های گالوانیکی ثانویه باید قبل از استفاده شارژ شوند. آنها به طور کلی با مواد فعال و اجسام در حالت کم انرژی (تخلیه) مونتاژ می شوند. سلول های گالوانیکی قابل شارژ یا باتری های گالوانیکی ثانویه را می توان با اعمال جریان الکتریکی بازسازی کرد (به صورت محاوره ای، دوباره شارژ کرد) که واکنش های شیمیایی را که در طول استفاده رخ می دهد معکوس می کند. دستگاه هایی برای تامین کافی چنین جریان هایی که مواد فعال موجود در سلول یا باتری را بازسازی می کنند، به طور نامناسب شارژر یا شارژر نامیده می شوند.

قدیمی ترین شکل سلول قابل شارژ باتری سرب اسیدی است . ⁸ این سلول الکتروشیمیایی از این جهت قابل توجه است که حاوی یک مایع اسیدی در یک ظرف مهر و موم شده است، که نیاز به نگه داشتن سلول در حالت عمودی و تهویه مناسب محل نشستن دارد تا از پراکندگی ایمن گاز هیدروژن تولید شده توسط این سلول ها در طول بار اضافی اطمینان حاصل شود. سلول سرب-اسید نیز نسبت به مقدار برقی که می تواند تامین کند بسیار سنگین است. با وجود این، هزینه ساخت پایین و سطوح جریان بالا، استفاده از آن را در جاهایی که ظرفیت بالا (بیش از 10 آمپر ساعت) مورد نیاز است در جاهایی که یا وزن و هندلینگ ضعیف نگران کننده نیست، رایج می کند.

باتری سرب اسیدی با سلول‌های نمدی شیشه‌ای جاذب، دو الکترود را از هم جدا می‌کند و در وسط، مواد شیشه‌ای جاذب را نشان می‌دهد که از ریختن اسید جلوگیری می‌کند.

یک نوع بهبود یافته سلول الکترولیت مایع، سلول سرب اسیدی تنظیم‌شده با شیر (VRLA) است که در صنعت خودروسازی به عنوان جایگزینی برای سلول‌های اسید سرب مرطوب محبوب است، زیرا نیازی به تعمیر و نگهداری ندارد. سلول VRLA از اسید سولفوریک تثبیت شده به عنوان الکترولیت استفاده می کند که احتمال نشت را کاهش می دهد و عمر مفید را افزایش می دهد. ⁹ الکترولیت به طور کلی به یکی از این دو روش بی حرکت شده است:

سلول های ژل حاوی الکترولیت نیمه جامد برای جلوگیری از ریختن.
سلول های نمدی فایبرگلاس جاذب، که الکترولیت را در یک ماده جاذب ساخته شده از فایبرگلاس مخصوص جذب می کند.

سایر سلول های قابل شارژ قابل حمل عبارتند از (به ترتیب افزایش سلول الکتروشیمیایی چگالی توان و در نتیجه هزینه): سلول نیکل-کادمیم (Ni-Cd)، سلول نیکل فلز هیدرید (NiMH) و لیتیوم-یون (Li-ion). ¹⁰ در حال حاضر، سلول‌های یون لیتیوم بیشترین سهم بازار را در میان سلول‌های خشک قابل شارژ دارند. ¹¹ در همین حال، باتری‌های NiMH به دلیل ظرفیت بالاتر، در اکثر کاربردها جایگزین باتری‌های Ni-Cd شده‌اند، اما باتری‌های NiCd همچنان در ابزارهای برقی، رادیوهای دو طرفه و تجهیزات پزشکی استفاده می‌شوند. ¹¹

باتری نیکل کادمیوم (Ni-Cd).	باتری نیکل متال هیدرید (NiMH).	باتری لیتیوم یونی (Li-ion)

مورد استفاده در دوربین های فیلمبرداری …	در دوربین ها استفاده می شود و در دستگاه های الکترونیکی کوچک	در گوشی های موبایل استفاده می شود

سلول های الکترولیتی

دومین نوع اصلی سلول های الکتروشیمیایی انرژی یک جریان الکتریکی را به انرژی شیمیایی محصولات یک واکنش تبدیل می کند که در شرایط کاری مخزن مذکور به طور خود به خودی رخ نمی دهد. ولتاژ جریان مذکور باید بیشتر از ولتاژ سلول گالوانیکی باشد که در آن فرآیند معکوس رخ می دهد، بنابراین پتانسیل کاهش نیز باید مشخص باشد .

مثال: پتانسیل کاهش مس(II)/مس و روی(II)/روی به ترتیب +0.34 V و -0.76 V است. یک باتری یا سلول گالوانیکی که از واکنش خود به خودی Zn + Cu ^{2 +} → Zn ^{2 +} + Cu بهره می برد ، نیروی محرکه الکتریکی 0.34 + V -(-0.76 V) = 1.10 ولت ایجاد می کند.

دستگاه الکترولیز آب و محلول های دیگر با فلاسک برای جمع آوری گازهای آزاد شده.

اگر اکنون بخواهیم واکنش مخالف Cu + Zn ²⁺ → Cu ²⁺ + Zn ایجاد کنیم به عنوان مثال، برای رسوب روی روی یک جسم فلزی، باید منبع تغذیه ای را معرفی کنیم که اختلاف پتانسیل بیش از 1.10 ولت ایجاد می کند.

بنابراین، در سلول الکترولیتی نیز یک واکنش ردوکس وجود دارد، اما اکنون توسط انرژی الکتریکی بارهایی که از مخزن عبور می کنند، سلول الکتروشیمیایی ایجاد می شود. اگرچه اکنون فقط یک ظرف وجود دارد، اما دو نیمه واکنش نیز وجود دارد، یکی در هر الکترود، زیرا بخشی از واکنش ردوکس در هر یک از آنها انجام می شود:

از دست دادن الکترون ها ( اکسیداسیون ) در آند صورت می گیرد .
) الکترون افزایش ( کاهش در کاتد رخ می دهد .

به عنوان مثال می توان به الکترولیز آب در هنگام عبور جریان الکتریکی از آن اشاره کرد. سلول الکتروشیمیایی $2\ H_{2}O\ \to 2\ H_{2}\ +\ O_{2}$

سلول الکتروشیمیایی