Pil Çalışma Prensibi: Bir Pil Nasıl Çalışır?

Pilin Çalışma Prensibi

Bir pil, elektrot olarak adlandırılan iki farklı metal madde ile bir elektrolit arasındaki oksidasyon ve indirgeme reaksiyonu üzerine çalışır. İki farklı metal madde, inceltilmiş bir elektrolit içinde yerleştirildiğinde, elektrotların metallerinin elektron tutuculuğuna bağlı olarak bu elektrotlarda oksidasyon ve indirgeme reaksiyonları gerçekleşir. Oksidasyon reaksiyonunun sonucunda bir elektrot negatif yüklenerek katot, indirgeme reaksiyonunun sonucunda diğer elektrot pozitif yüklenerek anot olur.

Katot, pilin negatif terminalini oluştururken anot, pozitif terminalini oluşturur. Pilin temel prensibini anlamak için önce elektrolitler ve elektron tutuculuğun bazı temel kavramlarını bilmeliyiz. Aslında, iki farklı metal bir elektrolit içine daldırıldığında, bu metaller arasında potansiyel fark ortaya çıkar.

Bazı spesifik bileşikler suya eklenince çözünür ve negatif ve pozitif iyonlar üretir. Bu tür bileşiklere elektrolit denir. Elektrolitlerin popüler örnekleri neredeyse tüm tür tuzlar, asitler ve bazlar gibi maddelerdir. Bir nötr atomun bir elektronu kabul etme sırasında serbest bıraktığı enerji, elektron tutuculuğu olarak bilinir. Farklı malzemelerin atomik yapısı farklı olduğu için, farklı malzemelerin elektron tutuculuğu da farklı olacaktır.

İki farklı metal aynı elektrolit çözelgesine daldırıldığında, bunlardan biri elektron kazanırken diğer biri elektron kaybeder. Hangi metal (veya metal bileşiği) elektron kazanacak, hangisi kaybedecek, bu metallerin elektron tutuculuğuna bağlıdır. Düşük elektron tutuculuğa sahip metal, elektrolit çözelgesindeki negatif iyonlardan elektron alır.

Öte yandan, yüksek elektron tutuculuğa sahip metal, elektronları bırakır ve bu elektronlar elektrolit çözelgesine girer, çözelgedeki pozitif iyonlara eklenir. Bu şekilde, bu metallerden biri elektron kazanırken, diğeri elektron kaybeder. Sonuç olarak, bu iki metal arasında elektron yoğunluğu farkı oluşur.

Bu elektron yoğunluğu farkı, metaller arasında bir elektriksel potansiyel farkı oluşturur. Bu elektriksel potansiyel farkı veya gerilim, herhangi bir elektronik veya elektrik devresinde kullanılabilecek bir gerilim kaynağı olarak kullanılabilir. Bu, pilin genel ve temel prensibidir ve böylece bir pil nasıl çalışır.

Tüm piller sadece bu temel prensibe dayanır. Bunu birer birer tartışalım. Daha önce de belirttiğimiz gibi, Alessandro Volta ilk pil hücresini geliştirdi ve bu hücre yaygın olarak basit voltaik hücre olarak bilinir. Bu tür basit hücre çok kolay oluşturulabilir. Bir kap alın ve içine inceltilmiş sülfürik asit olarak elektrolit doldurun. Şimdi bu çözeltiye bir çinko ve bir bakır çubuk batırın ve dışarıdan bir elektrik yükü ile bağlayın. Şimdi basit voltaik hücreniz tamamlanmıştır. Akım dış yük üzerinden akmaya başlayacaktır.

Çinko, inceltilmiş sülfürik asitte aşağıdaki gibi elektron verir:

Bu Zn + + iyonları elektrolite geçer ve her bir Zn + + iyonu çubukta iki elektron bırakır. Yukarıdaki oksidasyon reaksiyonunun sonucunda, çinko elektrotu negatif yüklendirilir ve bu nedenle katot olarak işlev görür. Böylece, elektrolit içinde katot yakınındaki Zn + + iyonlarının yoğunluğu artar.

Elektrolitin özelliği gereği, inceltilmiş sülfürik asit ve su zaten pozitif hidronyum iyonlarına ve negatif sülfat iyonlarına ayrılır:

Katot yakınındaki yüksek Zn+ + iyon yoğunluğu nedeniyle, H3O+ iyonları bakır elektrotuna doğru itilir ve bakır çubuktan gelen elektronları emerek salınır. Anotta aşağıdaki reaksiyon gerçekleşir:

Bakır elektrotta gerçekleşen indirgeme reaksiyonunun sonucunda, bakır çubuğu pozitif yüklendirilir ve bu nedenle anot olarak işlev görür.

Daniell Hücre

Daniell hücresi, bakır sülfat çözelgisi içeren bir bakır kap içerir. Bakır kap kendisi pozitif elektrot olarak görev görür. Kap içinde inceltilmiş sülfürik asit içeren bir poröz kap yerleştirilir. Amalgamlanmış bir çinko çubuğu, sülfürik aside batırılmıştır ve negatif elektrot olarak görev görür.

Poröz kapta bulunan inceltilmiş sülfürik asit çinko ile reaksiyona girer ve sonuç olarak hidrojen salınır. Reaksiyon aşağıdaki gibi gerçekleşir:

Poröz kapta oluşan ZnSO4, ZnSO4 kristalleri oluşana kadar hücrenin çalışmasını etkilemez. Hidrojen gazı poröz kap boyunca geçer ve CuSO4 çözeltiyle aşağıdaki gibi reaksiyona girer:

Oluşan bakır, bakır kapa damlanır.

Pilin Tarihi

1936 yılında, Irak'taki Bağdat şehrinin yakınında yeni bir demiryolu hattının inşası sırasında, yaz ortasında bir antik mezar keşfedildi. Mezarın içindeki kalıntılar yaklaşık 2000 yıllıkti. Bu kalıntılar arasında, tepesinde pit ile mühürlenmiş bazı çamur kavanozları vardı. Çamur kavanozunun mühürlü kısmından çıkan bir demir çubuk, sarılmış bir bakır levha ile çevrili silindirik tüp içinde bulunuyordu.

Keşfedenler, bu kavanozlara asitli bir sıvı doldurduğunda, demir ve bakır arasında yaklaşık 2 volt potansiyel fark olduğunu keşfettiler. Bu çamur kavanozları, 2000 yıllık pil hücreleri olarak şüphelenildi. Kavanoza Part Hitit pil adı verildi.

1786'da, İtalyan anatomist ve fizyolojist Luigi Galvani, ölü bir kurbağanın bacaklarını iki farklı metal ile dokunduğunda, bacakların kaslarının kasıldığını şaşırtıcı bir şekilde gördü.

O, gerçek sebebi anlamadı, aksi takdirde ilk pil hücresi mucidi olarak bilinirdi. O, reaksiyonun dokuların bir özelliğinden kaynaklandığını düşündü.