Principî ya Karûbar: Yek Battery Ya Çawa Kerdiye?

پرکاری باتری

باتری بر پایه واکنش اکسیداسیون و ردوکس الکترولیت با فلزات کار می‌کند. وقتی دو نوع فلز متفاوت، به نام الکترود، در یک الکترولیت خالص شده قرار می‌گیرند، به ترتیب در الکترودها واکنش اکسیداسیون و ردوکس بسته به علاقه الکترونی فلز الکترودها اتفاق می‌افتد. به عنوان نتیجه واکنش اکسیداسیون، یک الکترود منفی شارژ می‌شود که آن را کاتد می‌نامند و به دلیل واکنش ردوکس، الکترود دیگر مثبت شارژ می‌شود که آن را آند می‌نامند.

کاتد طرف منفی باتری را تشکیل می‌دهد در حالی که آند طرف مثبت باتری را تشکیل می‌دهد. برای درک اصول اساسی باتری به خوبی، ابتدا باید مفاهیم اساسی الکترولیت و علاقه الکترونی داشته باشیم. در واقع، هنگامی که دو فلز متفاوت در یک الکترولیت غوطه‌ور می‌شوند، تفاوت پتانسیل بین این فلزات ایجاد می‌شود.

پیدا شده است که وقتی برخی ترکیبات خاص به آب اضافه می‌شوند، آنها حل می‌شوند و یون‌های مثبت و منفی تولید می‌کنند. این نوع ترکیب را الکترولیت می‌نامند. مثال‌های رایج الکترولیت‌ها شامل تقریباً تمام انواع نمک‌ها، اسیدها و قلیاها است. انرژی آزاد شده در زمان قبول یک الکترون توسط یک اتم خنثی را علاقه الکترونی می‌نامند. از آنجا که ساختار اتمی برای مواد مختلف متفاوت است، علاقه الکترونی مواد مختلف نیز متفاوت خواهد بود.

اگر دو نوع فلز متفاوت در یک محلول الکترولیت یکسان غوطه‌ور شوند، یکی از آنها الکترون‌ها را به دست می‌آورد و دیگری الکترون‌ها را آزاد می‌کند. کدام فلز (یا ترکیب فلزی) الکترون‌ها را به دست می‌آورد و کدام فلز الکترون‌ها را از دست می‌دهد، بستگی به علاقه الکترونی این فلزات دارد. فلز با علاقه الکترونی پایین الکترون‌ها را از یون‌های منفی محلول الکترولیت به دست می‌آورد.

از طرف دیگر، فلز با علاقه الکترونی بالا الکترون‌ها را آزاد می‌کند و این الکترون‌ها وارد محلول الکترولیت می‌شوند و به یون‌های مثبت محلول اضافه می‌شوند. به این ترتیب، یکی از این فلزها الکترون‌ها را به دست می‌آورد و دیگری الکترون‌ها را از دست می‌دهد. به عنوان نتیجه، تفاوتی در غلظت الکترون بین این دو فلز ایجاد می‌شود.

این تفاوت در غلظت الکترون باعث ایجاد یک تفاوت پتانسیل الکتریکی بین فلزها می‌شود. این تفاوت پتانسیل الکتریکی یا emf می‌تواند به عنوان یک منبع ولتاژ در هر سیستم الکترونیکی یا مدار الکتریکی استفاده شود. این یک اصل عمومی و اساسی برای باتری است و این روش کار باتری است.

همه سلول‌های باتری فقط بر اساس این اصل اساسی استوار هستند. بیایید یکی یکی بحث کنیم. همانطور که قبلاً گفتیم، آلساندرو ولتا اولین سلول باتری را توسعه داد و این سلول به طور معمول به عنوان سلول ولتا شناخته می‌شود. این نوع سلول ساده می‌تواند بسیار راحت ساخته شود. یک ظرف بگیرید و آن را با اسید سولفوریک خالص شده به عنوان الکترولیت پر کنید. حالا ما یک میله روی و یک میله مس را در محلول غوطه‌ور می‌کنیم و آنها را از طریق یک بار الکتریکی خارجی به هم متصل می‌کنیم. حالا سلول ولتا ساده شما کامل شده است. جریان از طریق بار خارجی شروع می‌شود.

روی در یک محلول اسید سولفوریک خالص شده الکترون‌ها را به صورت زیر آزاد می‌کند:

این Zn + + یون‌ها به الکترولیت وارد می‌شوند و هر یک از Zn + + یون‌ها دو الکترون در میله باقی می‌گذارند. به عنوان نتیجه واکنش اکسیداسیون فوق، الکترود روی منفی شارژ می‌شود و بنابراین به عنوان کاتد عمل می‌کند. در نتیجه، غلظت Zn + + یون‌ها نزدیک کاتد در الکترولیت افزایش می‌یابد.

بر اساس خاصیت الکترولیت، اسید سولفوریک خالص شده و آب قبلاً به یون‌های هیدرونیوم مثبت و یون‌های سولفات منفی تجزیه شده‌اند:

به دلیل غلظت بالای Zn+ + یون‌ها نزدیک کاتد، یون‌های H3O+ به سمت الکترود مسی کشیده می‌شوند و با جذب الکترون‌ها از اتم‌های میله مسی خنثی می‌شوند. واکنش زیر در آند اتفاق می‌افتد:

به عنوان نتیجه واکنش ردوکس که در الکترود مسی اتفاق می‌افتد، میله مسی مثبت شارژ می‌شود و بنابراین به عنوان آند عمل می‌کند.

سلول دانیل

سلول دانیل شامل یک ظرف مسی که حاوی محلول سولفات مس است. خود ظرف مسی به عنوان الکترود مثبت عمل می‌کند. یک ظرف متخلخل حاوی اسید سولفوریک خالص شده در ظرف مسی قرار داده می‌شود. یک میله روی آمالگام شده که در داخل اسید سولفوریک غوطه‌ور شده است به عنوان الکترود منفی عمل می‌کند.

اسید سولفوریک خالص شده در ظرف متخلخل با روی واکنش می‌دهد و به عنوان نتیجه هیدروژن تولید می‌شود. واکنش به صورت زیر اتفاق می‌افتد:

تشکیل ZnSO4 در ظرف متخلخل تا زمانی که بلورهای ZnSO4 ته‌نشین نشده‌اند، عملکرد سلول را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد. گاز هیدروژن از طریق ظرف متخلخل عبور می‌کند و با محلول CuSO4 واکنش می‌دهد:

مس تشکیل شده روی ظرف مسی ته‌نشین می‌شود.

تاریخچه باتری

در سال ۱۹۳۶ در اواسط تابستان، در حین ساخت یک خط راه‌آهن جدید نزدیک شهر بغداد در عراق، یک مقبره باستانی کشف شد. آثار یافت شده در آن مقبره حدود ۲۰۰۰ سال قدمت داشت. در میان این آثار، چندین ظرف سفالی وجود داشت که با پیچ در بالای آن‌ها بسته شده بود. یک میله آهنی که با یک لوله استوانه‌ای از نوار مسی دور شده بود از این بخش بسته شده بیرون می‌آمد.

هنگامی که کاشفان این ظروف را با یک مایع اسیدی پر کردند، یک تفاوت پتانسیل حدود ۲ ولت بین آهن و مس مشاهده کردند. این ظروف سفالی مشکوک به سلول‌های باتری ۲۰۰۰ ساله بودند. آن‌ها این ظروف را باتری پارتی نامیدند.

در سال ۱۷۸۶، لوئیجی گالوانی، یک آناتومیست و فیزیولوژیست ایتال