سلول گالوانی (ولتایی)

سلول گالوانیکی

سلول گالوانیکی یا سلول ولتایی که به ترتیب به نام لوئیجی گالوانی و الساندرو ولتا نامگذاری شده است ، یک سلول الکتروشیمیایی است که انرژی الکتریکی را از واکنش‌های ردوکس خود به خودی که در آن انجام می‌شود به دست می‌آورد. معمولاً از دو فلز غیرمشابه تشکیل شده است که توسط یک پل نمکی به هم متصل شده‌اند ، یا نیم سلول‌های مجزا که توسط یک غشای متخلخل از هم جدا شده‌اند . ولتا مخترع باتری ولتایی، اولین باتری الکتریکی بود.

در استفاده رایج، کلمه باتری یک سلول گالوانیکی است و یک باتری مناسب از چندین سلول تشکیل شده است که به صورت سری یا موازی به هم متصل شده اند.

• 1 تاریخچه
• 2 توضیحات
• 3 ولتاژ باتری
• 4 نماد سلولی
• 5 خوردگی گالوانیکی
• 6 نوع سلول
• 7 همچنین ببینید
• 8 مراجع
• 9 پیوندهای خارجی

تاریخچه سلول گالوانی (ولتایی)

در سال 1780، لوئیجی گالوانی کشف کرد که وقتی دو فلز مختلف (مثلاً مس و روی) با هم تماس پیدا کردند و سپس هر دو قسمت‌های مختلف عصب پای قورباغه را لمس کردند، باعث انقباض ماهیچه‌های اندام شدند. ³ او این پدیده را ” الکتریسیته حیوانی ” نامید و به عنوان الگویی برای طراحی اولین باتری عمل کرد. باتری ولتایی که توسط الساندرو ولتا در سال 1800 اختراع شد شبیه باتری گالوانیکی است. این اکتشافات راه را برای باتری های الکتریکی هموار کردند .

توضیحات سلول گالوانی (ولتایی)

یک سلول گالوانیکی از دو نیم سلول (که نیم سلول یا الکترود نیز نامیده می شود) تشکیل شده است. در ساده ترین شکل، هر نیم سلول از یک فلز و محلولی از نمک فلز تشکیل شده است. محلول نمک حاوی یک کاتیون فلز و یک آنیون برای متعادل کردن بار کاتیون است. در اصل، نیمه پشته حاوی فلز در دو حالت اکسیداسیون است و واکنش شیمیایی در نیمه پشته یک واکنش ردوکس است که به صورت نمادین به معنای کاهش به صورت زیر نوشته می شود:

M ⁿ⁺ (گونه های اکسید شده) + ne ^– ↔   M (گونه کاهش یافته)

در یک سلول گالوانیکی، یک فلز قادر به کاهش کاتیون دیگری است و برعکس، کاتیون دیگر می تواند فلز اول را اکسید کند. دو نیمه پشته باید به طور فیزیکی از هم جدا شوند تا محلول ها با هم مخلوط نشوند. استفاده می شود برای جداسازی دو محلول از پل نمکی یا صفحه متخلخل .

تعداد الکترون های منتقل شده در هر دو جهت باید یکسان باشد. بنابراین دو نیم سلول با هم ترکیب می شوند تا واکنش الکتروشیمیایی کلی سلول را نشان دهند. برای دو فلز A و B:

A ⁿ⁺ + ne ^– ↔ آ.

B ^m+ + من ^– ↔ ب.

m A + n B ^{m +} ↔ n B + m A ⁿ⁺

این تمام ماجرا نیست، زیرا آنیون ها نیز باید از یک نیم سلول به سلول دیگر منتقل شوند. هنگامی که یک فلز در نیم سلول اکسید می شود، آنیون ها باید به نیم سلول منتقل شوند تا بار الکتریکی کاتیون تولید شده متعادل شود. هنگامی که یک کاتیون به حالت فلزی کاهش می یابد، آنیون ها از نیمه سلول دیگر آزاد می شوند. بنابراین، پل نمکی یا غشای متخلخل، هم برای جدا نگه داشتن محلول ها و هم اجازه جریان آنیون ها در جهت مخالف جریان الکترون ها در سیم اتصال الکترود، عمل می کند.

ولتاژ سلول گالوانیکی مجموع پتانسیل های دو نیم سلول است . اندازه گیری می شود با اتصال یک ولت متر به دو الکترود . ولت متر مقاومت بسیار بالایی دارد ، بنابراین جریان جریان واقعا ناچیز است. هنگامی که وسیله ای مانند موتور الکتریکی به الکترودها متصل می شود، جریان الکتریکی جریان می یابد و واکنش های ردوکس در هر دو نیم سلول رخ می دهد. این تا زمانی ادامه خواهد داشت که غلظت کاتیون های در حال کاهش به صفر برسد.

برای سلول گالوانیکی که در شکل نشان داده شده است، دو فلز روی و مس هستند و دو نمک سولفات های فلز مربوطه هستند. روی کاهنده ترین فلز است، بنابراین هنگامی که یک دستگاه به هر دو الکترود متصل می شود، واکنش الکتروشیمیایی انجام می شود

روی + مس ²⁺ → روی ²⁺ + مس

الکترود روی حل می شود و مس روی الکترود مسی رسوب می کند. طبق تعریف، کاتد الکترودی است که در آن کاهش (افزایش الکترون ها) اتفاق می افتد، بنابراین الکترود مس کاتد است. آند کاتیون هایی را که بار مثبت دارند جذب می کند، بنابراین آند الکترود منفی است. در این حالت مس کاتد و روی آند است.

سلول های گالوانیکی معمولاً به عنوان منبع انرژی الکتریکی استفاده می شوند. آنها طبق ماهیت خود جریان تولید می کنند . به عنوان مثال، یک باتری سرب اسید حاوی تعدادی سلول گالوانیکی است. این دو الکترود به طور موثر سرب و اکسید سرب هستند.

سلول وستون به عنوان یک استاندارد بین المللی برای ولتاژ در سال 1911 پذیرفته شد. آند ترکیبی از جیوه (عنصر) و کادمیوم است ، کاتد از جیوه خالص ساخته شده است، الکترولیت محلول (اشباع) سولفات کادمیوم و دپلاریز کننده است. یک خمیر سولفات جیوه (I) است. هنگامی که محلول الکترولیت اشباع می شود، ولتاژ سلول بسیار قابل تکرار است. از این رو از آن به عنوان یک استاندارد استفاده می شود.

ولتاژ باتری سلول گالوانی (ولتایی)

پتانسیل الکتریکی استاندارد یک سلول را می توان با استفاده از جدول پتانسیل استاندارد برای دو نیم سلول درگیر تعیین کرد. مرحله اول شناسایی سلول گالوانی (ولتایی) دو فلزی است که در سلول واکنش نشان می دهند. سپس به پتانسیل استاندارد الکترود ، Eo ^، در V ، برای هر یک از دو نیمه واکنش نگاه می کنیم . پتانسیل سلول استاندارد برابر است با مثبت ترین مقدار منهای ^E دیگر Eo ^{منفی ترین (یا حداقل مثبت) مقدار} .

به عنوان مثال، در شکل بالا، محلول های CuSO ₄ و ZnSO ₄ هستند . هر محلول حاوی نواری از فلز مربوطه و یک پل نمکی یا دیسک متخلخل است که دو محلول را به هم متصل می کند و به یون های SO ₄ ^2- اجازه می دهد آزادانه بین محلول های مس و روی جریان یابد. برای محاسبه پتانسیل استاندارد سلول، نیمه واکنش مس و روی را جستجو کنید و پیدا کنید:

Cu ²⁺ + 2 و ^– → با: E ^o = + 0.34 V

Zn ²⁺ + 2 e ^– → Zn: E ^o = – 0.76 V

بنابراین، واکنش کلی این است:

Cu ²⁺ + Zn مس + روی ²⁺

پتانسیل استاندارد واکنش 0.34 V – (-0.76 V) = 1.10 V است. قطبیت سلولی به شرح زیر تعیین می شود: روی فلزی نسبت به مس فلزی سلول گالوانی (ولتایی) کمتر مستعد کاهش و بیشتر مستعد اکسیداسیون است، همانطور که با این واقعیت نشان می دهد که پتانسیل کاهش استاندارد روی کمتر از مس است. می دهد ^{بنابراین، روی فلزی اکسید می شود، الکترون ها را به یون های Cu 2+} و آنها دارای بار مثبت می مانند. تعادل ثابت ، ک ، که سلول برای آن توسط:

ک = انقضا ⁡ ( n اف E ∘ آر تی ) 

جایی که:

• اف  است فارادی
• آر  است ثابت گاز
• تی دما بر حسب کلوین است .

برای پشته دانیل، ک تقریباً برابر با 1.5×10 ³⁷ است . بنابراین، در حالت تعادل، تنها چند الکترون منتقل می‌شود که به اندازه کافی باعث باردار شدن الکترودها می‌شود. ⁴

پتانسیل واقعی نیمه سلولی باید با استفاده از معادله نرنست محاسبه شود زیرا املاح به ندرت در حالت استاندارد خود هستند:

E س ه متر من ج ه ل د آ = E ∘ – آر تی n اف لوگاریتم ⁡ س 

جایی که س است ضریب واکنش . این امر ساده می کند:

E س ه متر من ج ه ل د آ = E 0 + 2 ، 303 ⋅ آر تی n اف ورود به سیستم ⁡ [ م n + ] 

جایی که م n + است فعالیت یون فلز در محلول . الکترود فلزی در حالت استاندارد خود قرار دارد زیرا طبق تعریف واحد فعال است. در عمل به جای فعالیت از تمرکز استفاده می شود. پتانسیل کامل سلول با ترکیب پتانسیل دو نیم سلول به دست می آید، بنابراین به غلظت هر دو یون فلزی محلول بستگی دارد.

مقدار 2.303 R / F 0.19845×10 ^-3 V/K است، بنابراین در دمای 25 درجه سانتیگراد (298.15 K) پتانسیل نیم سلولی تغییر می کند. 0 ، 05918 V / n اگر غلظت یک یون فلزی به میزان 10 افزایش یا کاهش یابد.

E س ه متر من ج ه ل د آ = E 0 س ه متر من ج ه ل د آ – 0 ، 05918 n ورود به سیستم ⁡ [ م n + ] 

این محاسبات بر این فرض استوار است که تمام واکنش های شیمیایی در تعادل هستند . هنگامی که یک جریان در مدار جریان می یابد، سلول گالوانی (ولتایی) شرایط تعادل حاصل نمی شود و پتانسیل سلول اغلب با مکانیسم های مختلف، مانند ایجاد اضافه ولتاژ، کاهش می یابد . ⁵ علاوه بر این، از آنجایی که واکنش‌های شیمیایی زمانی رخ می‌دهد که باتری در حال تولید نیرو است، غلظت الکترولیت‌ها تغییر می‌کند و ولتاژ سلول کاهش می‌یابد. ولتاژ تولید شده توسط سلول گالوانیکی به دما بستگی دارد زیرا پتانسیل استاندارد به دما بستگی دارد.

نماد سلول گالوانی (ولتایی)

سلول گالوانیکی، مانند آنچه در شکل نشان داده شده است، به طور معمول با استفاده از نماد زیر توصیف می شود:

( آند ) روی _(ها) | ZnSO _4(aq) || CuSO _4(aq) | مس _(ها) ( کاتد )

یک نماد جایگزین برای این سلول می تواند این باشد:

روی _(ها) | Zn ²⁺ _(aq) || Cu ²⁺ _(aq) | مس _(ها)

جایی که موارد زیر اعمال می شود :

• (s) نشان دهنده جامد است .
• ق به معنی انحلال متوسط ​​یا آبکی است .
• نوار عمودی، |، یک رابط را نشان می دهد.
• میله دوتایی عمودی، ||، یک اتصال مایع را نشان می دهد که پتانسیل اتصال برای آن صفر است، مانند یک پل نمکی . ⁶

خوردگی گالوانیکی سلول گالوانی (ولتایی)

است خوردگی گالوانیکی فرآیندی که فلزات را به صورت الکتروشیمیایی تجزیه می کند . این خوردگی زمانی اتفاق می‌افتد که دو فلز غیرمشابه در حضور یک الکترولیت مانند آب نمک با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند و یک سلول گالوانیکی را تشکیل می‌دهند. اگر همان فلز در معرض دو غلظت مختلف الکترولیت قرار گیرد، یک سلول نیز می تواند تشکیل شود. سپس پتانسیل الکتروشیمیایی حاصل جریان الکتریکی ایجاد می کند که به صورت الکترولیتی مواد نجیب کمتر را حل می کند.