سلول گالوانی: نیروگاه کوچک درون یک ظرف
اکسایش و کاهش: قلب تپنده سلول گالوانی
همه چیز با یک مفهوم کلیدی در شیمی شروع میشود: واکنش اکسایش-کاهش. در این واکنشها، الکترون بین مواد رد و بدل میشود. اکسایش[1] به معنی از دست دادن الکترون و کاهش[2] به معنی گرفتن الکترون است. این دو فرآیند همیشه همزمان رخ میدهند. به مادهای که الکترون از دست میدهد، عامل کاهنده و به مادهای که الکترون میگیرد، عامل اکسنده میگویند. در یک سلول گالوانی، این جابجایی طبیعی الکترونها را به گونهای طراحی میکنیم که الکترونها مجبور شوند از مسیری خارجی (مانند یک سیم) عبور کنند و به این ترتیب جریان الکتریکی ایجاد شود.
اجزای تشکیل دهنده یک سلول گالوانی ساده
برای ساختن یک سلول گالوانی به چند جزء اصلی نیاز داریم. تصور کنید دو ظرف شیشهای داریم که هر کدام یک نیمسلول را تشکیل میدهند. این نیمسلولها با هم یک سلول کامل را میسازند.
| جزء | توضیح | مثال در سلول دانیل |
|---|---|---|
| الکترودها | میلههای فلزی یا غیرفلزی که واکنش اکسایش یا کاهش روی سطح آنها انجام میشود و جریان را هدایت میکنند. | میلهای از روی(Zn) و میلهای از مس(Cu) |
| محلول الکترولیت | محلولی که یونهای مورد نیاز برای تکمیل واکنش را در خود دارد و جریان را در درون سلول کامل میکند. | محلول سولفات روی ($ZnSO_4$) و محلول سولفات مس ($CuSO_4$) |
| پل نمکی | یک اتصال (معمولاً یک لوله پر از ژل نمکی) که دو نیمسلول را به هم وصل کرده و با انتقال یونها، از تجمع بار در هر نیمسلول جلوگیری میکند. | لولهای حاوی ژل پتاسیم کلرید ($KCl$) |
| سیم و مصرفکننده | یک مدار خارجی که الکترونها را از یک الکترود به الکترود دیگر هدایت میکند. این میتواند یک سیم ساده، یک لامپ کوچک یا یک ولتسنج باشد. | یک سیم مسی متصل به یک لامپ LED |
سلول دانیل: یک مثال کلاسیک و گام به گام
یکی از شناخته شدهترین سلولهای گالوانی، سلول دانیل[3] است که از دو فلز روی و مس استفاده میکند. بیایید مرحله به مرحله اتفاقاتی را که میافتد بررسی کنیم:
مرحله ۱ (آند - اکسایش): در نیمسلول سمت چپ، یک میله فلز روی در محلول سولفات روی قرار دارد. اتمهای روی تمایل دارند دو الکترون از دست بدهند و به یون روی تبدیل شوند. این یک واکنش اکسایش است.
الکترونهای آزاد شده روی سطح میله روی جمع میشوند و آن را به قطب منفی (آند) سلول تبدیل میکنند. این الکترونها نمیتوانند وارد محلول شوند، بنابراین از طریق سیم خارجی شروع به حرکت میکنند.
مرحله ۲ (مدار خارجی): الکترونها از قطب منفی (روی) از طریق سیم به سمت قطب مقابل (مس) جاری میشوند. اگر در مسیر یک لامپ یا موتور قرار داشته باشد، این جریان الکترونها باعث روشن شدن یا حرکت آن میشود.
مرحله ۳ (کاتد - کاهش): در نیمسلول سمت راست، یک میله مس در محلول سولفات مس قرار دارد. الکترونهایی که از سیم رسیدهاند، توسط یونهای مس دو ظرفیتی موجود در محلول جذب میشوند. هر یون مس دو الکترون میگیرد و به اتم مس فلزی تبدیل میشود که روی میله مس مینشیند. این یک واکنش کاهش است.
میله مس که الکترون میگیرد، به قطب مثبت (کاتد) سلول تبدیل میشود.
مرحله ۴ (نقش پل نمکی): اگر فقط همین دو نیمسلول باشند، به زودی تعادل بار به هم میخورد. در نیمسلول روی، یونهای مثبت $Zn^{2+}$ اضافی باعث مثبت شدن بیش از حد آن میشود. در نیمسلول مس، یونهای مثبت $Cu^{2+}$ مصرف میشوند و محلول منفی میشود. این تجمع بار جلوی ادامه واکنش را میگیرد. پل نمکی با انتقال یونهای مثبت به سمت نیمسلول مس و یونهای منفی به سمت نیمسلول روی، این مشکل را حل کرده و مدار داخلی را کامل میکند.
باتری: سلول گالوانی در زندگی روزمره ما
باتریهایی که در کنترل تلویزیون، اسباببازیها یا گوشیهای همراه استفاده میکنیم، در واقع یک یا چند سلول گالوانی بستهبندی شده هستند. برای مثال، باتری قلمی معمولی (باتری روی-کربن) یک نوع سلول گالوانی است.
مثال عملی: یک باتری لیمویی درست کنید! این یک آزمایش ساده و جالب برای درک مفهوم است. یک لیموی تازه بردارید و دو میله فلزی مختلف، مثلاً یک میخ مسی و یک میخ گالوانیزه (روی) را در آن فرو کنید، طوری که با هم تماس نداشته باشند. اگر یک ولتسنج ساده (یا حتی یک لامپ LED خیلی کوچک) را به دو میخ وصل کنید، یک ولتاژ کوچک در حدود 0.8 تا 1 ولت نشان میدهد. در اینجا، آب لیمو نقش الکترولیت را بازی میکند و دو فلز مختلف نقش الکترودها را. این یک سلول گالوانی واقعی است!
| نوع باتری | الکترودها (آند/کاتد) | ولتاژ اسمی (هر سلول) | کاربرد رایج |
|---|---|---|---|
| باتری روی-کربن (خشک) | روی / دی اکسید منگنز | 1.5 V | کنترل از راه دور، چراغ قوه |
| باتری قلیایی | روی / دی اکسید منگنز | 1.5 V | اسباببازی، دستگاههای صوتی |
| باتری لیتیوم-یون | گرافیت / اکسید فلز لیتیوم | 3.7 V | گوشی همراه، لپتاپ |
| باتری سرب-اسید | سرب / دی اکسید سرب | 2.0 V | باتری خودرو |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، در سلولهای گالوانی (تولیدکننده برق) این دو مفهوم کاملاً منطبق هستند. قطب منفی همان آند است (جایی که اکسایش رخ میدهد و الکترون تولید میشود) و قطب مثبت همان کاتد است (جایی که کاهش رخ میدهد و الکترون مصرف میشود). این قاعده در سلولهای الکترولیز (مصرف کننده برق) برعکس است.
پاسخ: خیر. شرط اصلی ایجاد نیروی محرکه الکتریکی و جریان، وجود دو نیمواکنش با تمایل متفاوت برای از دست دادن یا گرفتن الکترون است. اگر هر دو الکترود یکسان باشند، پتانسیل[4] آنها برابر است و در نتیجه اختلاف پتانسیل صفر خواهد بود و جریانی برقرار نمیشود.
پاسخ: زیرا مواد واکنشدهنده (مثلاً فلز آند یا ماده اکسنده در کاتد) تمام میشوند. وقتی یکی از واکنشدهندهها به طور کامل مصرف شود، واکنش متوقف شده و جریان برقرار نمیشود. در باتریهای غیرقابل شارژ، این پایان کار باتری است. در باتریهای قابل شارژ (مانند لیتیوم-یون)، با اعمال جریان الکتریکی از خارج، واکنشها را میتوان به صورت معکوس انجام داد و مواد اولیه را دوباره تولید کرد.
پاورقی
[1] Oxidation (اکسیداسیون): فرآیند از دست دادن الکترون توسط یک اتم، مولکول یا یون.
[2] Reduction (احیا): فرآیند گرفتن الکترون توسط یک اتم، مولکول یا یون.
[3] Daniell Cell: یکی از اولین سلولهای گالوانی کاربردی که توسط جان فردریک دانیل در سال 1836 اختراع شد.
[4] Potential (پتانسیل): معیاری برای سنجش تمایل یک ماده به از دست دادن الکترون (پتانسیل اکسایش) یا تمایل به گرفتن الکترون (پتانسیل کاهش).
