Zasada działania baterii: Jak działa bateria?

Zasada działania baterii

Bateria działa na zasadzie reakcji oksydacyjno-redukcyjnej elektrolitu z metalami. Gdy dwa różne metale, zwane elektrodami, są umieszczone w rozcieńczonym elektrolicie, w elektrodach następują odpowiednio reakcje oksydacyjne i redukcyjne, zależnie od powinowactwa elektronowego metali tych elektrod. W wyniku reakcji oksydacyjnej jedna elektroda nabiera ładunku ujemnego, nazywana jest katodą, a w wyniku reakcji redukcyjnej druga elektroda nabiera ładunku dodatniego, nazywana jest anodą.

Katoda tworzy ujemny terminal, podczas gdy anoda tworzy dodatni terminal baterii. Aby prawidłowo zrozumieć podstawową zasadę działania baterii, najpierw powinniśmy mieć pewne podstawowe pojęcia dotyczące elektrolitów i powinowactwa elektronowego. Faktycznie, gdy dwa różne metale są zanurzone w elektrolicie, powstanie między nimi różnica potencjałów.

Stwierdzono, że gdy do wody dodaje się niektóre konkretne związki, one rozpuszczają się i produkują jony ujemne i dodatnie. Ten typ związku nazywany jest elektrolitem. Popularnymi przykładami elektrolitów są niemal wszystkie rodzaje soli, kwasów i zasad itp. Energia wydzielona podczas przyjmowania elektronu przez neutralny atom nazywana jest powinowactwem elektronowym. Ponieważ struktury atomowe różnych materiałów są różne, powinowactwo elektronowe różnych materiałów będzie się różnić.

Jeśli dwa różne rodzaje metali są zanurzone w tym samym roztworze elektrolitu, jeden z nich zyskuje elektrony, a drugi je traci. Który metal (lub związek metaliczny) zyska elektrony, a który je straci, zależy od powinowactwa elektronowego tych metali. Metal o niskim powinowactwie elektronowym zyska elektrony od jonów ujemnych roztworu elektrolitu.

Z drugiej strony, metal o wysokim powinowactwie elektronowym traci elektrony, a te elektrony przechodzą do roztworu elektrolitu i dołączają do jonów dodatnich roztworu. W ten sposób, jeden z tych metali zyskuje elektrony, a drugi je traci. W rezultacie powstanie różnica stężenia elektronów między tymi dwoma metali.

Ta różnica stężenia elektronów powoduje powstanie różnicy potencjałów elektrycznych między metali. Ta różnica potencjałów elektrycznych lub napięcia może być wykorzystana jako źródło napięcia w dowolnym układzie elektronicznym lub układzie elektrycznym. To jest ogólna i podstawowa zasada działania baterii i to jest sposób, w jaki działa bateria.

Wszystkie komórki baterii oparte są tylko na tej podstawowej zasadzie. Omówmy je po kolei. Jak już wcześniej powiedzieliśmy, Alessandro Volta opracował pierwszą komórkę baterii, a ta komórka jest powszechnie znana jako prosta komórka voltaiczna. Tego typu prostą komórkę można bardzo łatwo stworzyć. Weź jedno naczynie i wypełnij je rozcieńczonym kwasem siarkowym jako elektrolitem. Teraz zanurzamy w tym roztworze jedną sztabkę cynku i jedną sztabkę miedzi, łącząc je zewnętrznie obciążeniem elektrycznym. Teraz Twoja prosta komórka voltaiczna jest gotowa. Prąd zacznie przepływać przez zewnętrzne obciążenie.

Cynk w rozcieńczonym kwasie siarkowym oddaje elektrony, jak poniżej:

Te Zn + + jony przechodzą do elektrolitu, a każda z Zn + + jonów pozostawia dwa elektrony w sztabce. W wyniku powyższej reakcji oksydacyjnej, elektroda cynkowa zostaje ujemnie naładowana, a więc działa jako katoda. W konsekwencji, stężenie Zn + + jonów w pobliżu katody w elektrolicie zwiększa się.

Zgodnie z właściwościami elektrolitu, rozcieńczony kwas siarkowy i woda rozpadają się już na dodatnie jony hydronowe i ujemne jony siarczanowe, jak poniżej:

Ze względu na wysokie stężenie Zn+ + jonów w pobliżu katody, jony H3O+ są odpędzane w kierunku elektrody miedzianej i uwalniają elektrony z atomów sztabki miedzi. Następuje poniższa reakcja w anodzie:

W wyniku reakcji redukcyjnej zachodzącej w elektrodzie miedzianej, sztabka miedzi nabiera ładunku dodatniego, a więc działa jako anoda.

Komórka Daniella

Komórka Daniella składa się z naczynia miedzianego zawierającego roztwór siarczanu miedzi. Same naczynie miedziane działa jako dodatnia elektroda. W naczyniu miedzianym umieszczony jest porowaty garnek zawierający rozcieńczony kwas siarkowy. Amalgamowana sztabka cynkowa, zanurzona w kwasie siarkowym, działa jako ujemna elektroda.

Rozcieńczony kwas siarkowy w porowatym garnku reaguje z cynkiem, a w wyniku tego powstaje wodór. Reakcja zachodzi, jak poniżej:

Formowanie się ZnSO4 w porowatym garnku nie wpływa na działanie komórki, dopóki kryształki ZnSO4 nie osadzą się. Gaz wodór przechodzi przez porowaty garnek i reaguje z roztworem CuSO4, jak poniżej:

Utworzona miedź osadza się na naczyniu miedzianym.

Historia baterii

W roku 1936, w środku lata, podczas budowy nowej linii kolejowej w pobliżu Bagdadu w Iraku, odkryto starożytny grób. Relikwie znalezione w tym grobie miały około 2000 lat. Spośród tych relikwii były gliniane dzbany zabezpieczone na szczycie smołą. Żelazny pręt, otoczony cylindryczną rurką wykonaną z owiniętego arkusza miedzi, wystawał z tego zabezpieczonego góry.

Gdy odkrywcy napełnili te garnki kwasem, stwierdzili różnicę potencjałów około 2 woltów między żelazem a miedzią. Te gliniane garnki podejrzewano, że są 2000-letnimi komórkami baterii. Nazwano je partiańską baterią.

W 1786 roku, Luigi Galvani, włoski anatom i fizjolog, był zaskoczony, gdy zobaczył, że gdy dotknął martwych nóg żaby dwoma różnymi metalami, mięśnie nóg skurczyły się.

Nie zrozumiał prawdziwej przyczyny, inaczej zostałby uznany za pierwszego wynalazcę komórki baterii. Myślał, że reakcja może być spowodowana właściwością tkanek.