انواع سلول های گالوانی
سلول‌های گالوانی یا ولتاییک یکی از مهم‌ترین اجزای الکتروشیمی هستند که برای تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این سلول ها به عنوان منبع انرژی الکتروشیمیایی یاد میشود.این سلول‌ها در بسیاری از کاربردهای صنعتی، علمی و روزمره نقش کلیدی دارند. سلول های گالوانی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند
در سلول های گالوانی یک واکنش اکسایش و کاهش انجام پذیر است و آند قطب منفی با °E کمتر و در آن اتم فلزی به کاتیون فلزی محلول تبدیل می شود .به مرور تیغه آندی لاغر میشود و غلظت کاتیون در ظرف آند افزایش می یابد .به عبارتی میتوان گفت آند فدای کاتد میشود . در سلول گالوانی کاتد قطب مثبت با °E بیشتر و در آن کاتیون فلزی به اتم فلزی تبدیل می شود و غلظت کاتیون در محلول کاهش و تیغه کاتدی ضخیم می شود .به عبارتی آند خورده و کوچک میشود و کاتد ضخیم تر میشود.
جهت الکترون در مدار بیرونی از آند با کاتد است و جهت الکترون در مدار درونی، آنیون ها به سمت آند و کاتیون ها به سمت کاتد حرکت میکنند. در صورتی که آند یا کاتد SHE باشد ، تغییری در جرم پلاتین ایجاد نمیشود .
پتانسیل پیل ( emf ) :
از رابطه زیر بدست می آید.
E°پیل = E°کاتد - E°آند
پتانسیل پیل همواره مثبت است . اگر ولت سنج عدد منفی نشان دهد می توان نتیجه گرفت که اشتباه نصب شده است .( 0 < پیل E °)
**انواع سلول‌های گالوانی**
سلول گالوانی شامل دو نیم‌سلول است که هر یک از آنها از یک الکترود و یک محلول الکترولیت تشکیل شده است. این دو نیم‌سلول از طریق یک پل نمکی یا دیافراگم به هم متصل می‌شوند تا جریان یونی برقرار شود. واکنش اکسایش در یک نیم‌سلول و واکنش کاهش در نیم‌سلول دیگر رخ می‌دهد و این واکنش‌ها باعث تولید جریان الکتریکی می‌شوند.
در حالت کلی سلول های گالوانی به دو دسته تقسیم می شوند .
سلول های نوع اول : این نوع سلول ها با تمام شدن واکنش دهنده های موجود در آنها غیر فعال می شوند و امکان شارژ یا پر کردن دوباره آنها وجود ندارد مانند باتری ها و سلول های سوختی
سلول های نوع دوم : شامل سلول های انباره ای (مانند باتری خودرو)و باتری های قابل شارژ هستند را میتوان بارها شارژ کرد و مورد استفاده قرار داد .
باتری های نوع دوم به هنگام شارژ شدن یک سلول الکترولیتی هستند .
در حین شارژ شدن با عبور یک جریان الکتریکی واکنش های خود به خودی انجام شده در مرحله تولید برق در جهت معکوس رانده می شود .
همچنین سلول‌های گالوانی را میتوان بر اساس ساختار، نوع الکترودها و کاربردهایشان دسته‌بندی کرد. در ادامه به معرفی برخی از انواع رایج این سلول‌ها می‌پردازیم:
۱. سلول دانیل (Daniel Cell)
یکی از ساده‌ترین و معروف‌ترین سلول‌های گالوانی، سلول دانیل است. این سلول از دو نیم‌سلول تشکیل شده است:
- نیم‌سلول روی (Zn) که در آن واکنش اکسایش رخ می‌دهد.
- نیم‌سلول مس (Cu) که در آن واکنش کاهش صورت می‌گیرد.
در این سلول، الکترود روی در محلول سولفات روی (ZnSO₄) و الکترود مس در محلول سولفات مس (CuSO₄) غوطه‌ور هستند. جریان الکتریکی از طریق پل نمکی بین دو نیم‌سلول برقرار میشود.
۲. سلول خشک (Dry Cell)
سلول خشک یکی از پرکاربردترین انواع سلول‌های گالوانی است که در باتری‌های معمولی (مانند باتری‌های قلمی و نیم‌قلمی) استفاده میشود. در این نوع سلول:
- آند معمولاً از روی (Zn) ساخته شده است.
- کاتد از کربن (C) تشکیل شده که توسط دی‌اکسید منگنز (MnO₂) احاطه شده است.
- الکترولیت به صورت خمیری است که معمولاً شامل کلرید آمونیوم (NH₄Cl) یا کلرید روی (ZnCl₂) می‌باشد.
این سلول‌ها به دلیل اندازه کوچک و قابلیت حمل آسان، در دستگاه‌های قابل حمل بسیار محبوب هستند.
۳. سلول سوختی (Fuel Cell)
سلول سوختی نوع خاصی از سلول گالوانی است که انرژی شیمیایی حاصل از واکنش سوخت (مانند هیدروژن) با یک اکسیدکننده (مانند اکسیژن) را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این سلول‌ها دارای ویژگی‌هایی مانند بازده بالا و آلودگی کم هستند و در کاربردهایی نظیر خودروهای برقی و تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۴. سلول‌های ثانویه (Secondary Cells)
برخلاف سلول‌های اولیه که فقط یک بار استفاده می‌شوند، سلول‌های ثانویه قابلیت شارژ مجدد دارند. باتری‌های لیتیوم-یونی، نیکل-کادمیم و سرب-اسید نمونه‌هایی از این نوع سلول‌ها هستند. این باتری‌ها در دستگاه‌هایی مانند تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها و خودروهای برقی کاربرد گسترده‌ای دارند.
**۵. سلول غلظتی (Concentration Cell)**
در این نوع سلول، دو نیم‌سلول از یک ماده تشکیل شده‌اند اما غلظت یون‌ها در آنها متفاوت است. اختلاف غلظت باعث ایجاد پتانسیل الکتریکی میشود. این سلول‌ها اغلب برای اندازه‌گیری غلظت یون‌ها یا بررسی خواص ترمودینامیکی سیستم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.