سلول گالوانی

مقدمه‌ای بر سلول‌های الکتروشیمیایی

دستگاهی که در آن میان انرژی شیمیایی و انرژی الکتریکی تبدیل صورت می‌گیرد، سلول الکتروشیمیایی نامیده می‌شود. این سلول‌ها بر اساس جهت تبدیل انرژی به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:

1. سلول‌های گالوانی (ولتاژي): واکنش‌های اکسایش-کاهشِ انجام‌پذیر (خودبه‌خودی) در آن‌ها رخ می‌دهد و انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود (مانند باتری‌ها).

2. سلول‌های الکترولیتی: با اعمال جریان برق، واکنش‌های انجام‌ناپذیر (غیرخودبه‌خودی) در آن‌ها انجام می‌شود و انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل می‌گردد (مانند برقکافت آب یا آبکاری فلزات - در جلسات آینده به تفصیل بررسی خواهد شد).

۲. کالبدشکافی سلول گالوانی 

سلول گالوانی دستگاهی است که از دو نیم‌سلول تشکیل شده است. در هر نیم‌سلول یک تیغه فلزی (الکترود) درون محلولی از یون‌های همان فلز (الکترولیت) قرار دارد. معروف‌ترین مثال کتاب درسی، سلول گالوانی روی - مس (سلول دانیل) است.

اجزای اصلی یک سلول گالوانی:

آند (Anode):

• محل انجام واکنش اکسایش (از دست دادن الکترون).

• فلزی که کاهنده‌تر است (تمایل بیشتری به از دست دادن الکترون دارد) آند می‌شود.

• در سلول گالوانی، قطب منفی (−) است (زیرا منبع تولید الکترون است).

• محل انجام واکنش کاهش (گرفتن الکترون).

• فلزی که اکسنده‌تر است (کاتیونِ آن تمایل بیشتری به گرفتن الکترون دارد /فلز بازنده(ضعیف تر)) کاتد می‌شود.

• در سلول گالوانی، قطب مثبت (+) است (زیرا الکترون‌ها را به سوی خود می‌کشد).

• مسیر حرکت الکترون‌ها. الکترون‌ها همیشه از آند به کاتد حرکت می‌کنند.

• مسیر حرکت یون‌ها برای حفظ خنثایی الکتریکی محلول‌ها. اگر این بخش نباشد، تجمع بار مثبت در آند و بار منفی در کاتد باعث توقف سریع واکنش و صفر شدن ولتاژ می‌شود.

کاتد (Cathode):

مدار بیرونی (سیم رابط و ولت‌سنج):

مدار درونی (دیواره متخلخل یا پل نمکی):

۳. بررسی دقیق سلول روی - مس (\(Zn\)- \(Cu\))
بر اساس رقابت عناصر در داد و ستد الکترون، روی (\(Zn\)) فلز فعال‌تری نسبت به مس (\(Cu\)) است. پس روی الکترون می‌دهد (آند) و یون‌های مس الکترون می‌گیرند (کاتد).
نیم‌واکنش آند (اکسایش):\[Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^{-}\](اتم‌های روی از تیغه جدا شده و به شکل یون وارد محلول می‌شوند).
نیم‌واکنش کاتد (کاهش):\[Cu^{2+}(aq) + 2e^{-} \rightarrow Cu(s)\](یون‌های مس از محلول، الکترون‌های رسیده به تیغه کاتد را می‌گیرند و روی تیغه رسوب می‌کنند).
واکنش کلی سلول:\[Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) + Energy (Volt)\]مشاهدات ماکروسکوپی در سلول (\(Zn\)- \(Cu\)):

1. کاهش جرم آند: تیغه روی به مرور زمان خورده شده و از جرم آن کاسته می‌شود.

2. افزایش جرم کاتد: بر روی تیغه مس، اتم‌های جدید مس رسوب کرده و جرم آن افزایش می‌یابد.

3. تغییر رنگ محلول کاتدی: رنگ آبی محلول کاتدی (مربوط به یون‌های \(Cu^{2+}\) به مرور زمان کم‌رنگ می‌شود.

4. تغییر غلظت‌ها: غلظت کاتیون \(Zn^{2+}\) در نیم‌سلول آند زیاد می‌شود و غلظت کاتیون \(Cu^{2+}\)در نیم‌سلول کاتد کم می‌شود.

۴. نقش حیاتی دیواره متخلخل / پل نمکی 

با پیشرفت واکنش، در نیم‌سلول آند کاتیون‌ها (\(Zn^{2+}\)) زیاد می‌شوند (محلول بار مثبت می‌گیرد) و در نیم‌سلول کاتد کاتیون‌ها مصرف شده و آنیون‌ها غالب می‌شوند (محلول بار منفی می‌گیرد).

برای جلوگیری از این قطبیت محلول‌ها، یون‌ها از طریق دیواره متخلخل یا پل نمکی (حاوی محلولی مثل \(KNO_{3}\) حرکت می‌کنند:

• حرکت آنیون‌ها (یون‌های منفی): به سمت آند (برای خنثی کردن کاتیون‌های تولید شده).

• حرکت کاتیون‌ها (یون‌های مثبت): به سمت کاتد (برای جبران کاتیون‌های مصرف شده).

 رمز تستی طلایی: در تمام سلول‌های الکتروشیمیایی (گالوانی و الکترولیتی):

آنیون به آند می‌رود. (آ - آ)

کاتیون به کاتد می‌رود. (ک - ک)