الأكسدة والبطاريات الأولية

الأكسدة والبطاريات الأساسية:

يتم إدخال قطعة Zn في محلول CuSO4 بشكل تلقائي على النحو التالي:

في هذا الوقت ، لوحظ أن قطعة Zn تذوب ، وترسب Cu باستمرار على قطعة Zn ، وأصبح محلول CuSO4 الأزرق أخف. يتأكسد فقد الإلكترونات في Zn ويقلل Cu2 + الإلكترونات. نظرًا لأن رقائق Zn ومحلول CuSO4 على اتصال مباشر ، يتم نقل الإلكترونات مباشرة من سطح رقائق Zn إلى Cu2 + في المحلول ، ويتعطل تدفق الإلكترونات ولا يمكن توليد تدفق إلكترون اتجاهي. لا يمكن تحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في المادة إلى طاقة كهربائية ويمكن إطلاقها فقط على شكل طاقة حرارية ، مما يرفع درجة حرارة محلول التفاعل.

وفقًا لمبدأ الكهرباء ، إذا كان من الممكن استخدام جهاز لتحويل الإلكترونات في تفاعل الأكسدة إلى تدفق إلكترون منظم ، أي عدم نقل الإلكترونات مباشرة ، يتم نقل الإلكترونات التي فقدها عامل الاختزال إلى المؤكسد من خلال الأسلاك. يمكنك الحصول على السلطة. دانيال باتيري هو الجهاز لتحقيق هذه الفكرة. في بطارية دانيال ، يكون الجانب الأيسر عبارة عن محلول ZnSO4 مع إدخال قطعة Zn ، والجانب الأيمن هو محلول CuSO4 مع إدخال قطعة Cu. يتم فصل الحلين عن طريق غشاء مسامي يسمح بمرور الأيونات بحرية. عندما تم توصيل صفيحة Zn ولوحة Cu بسلسلة من الأسلاك بمقاييس الجلفانومتر ، انحرفت أيدي جلفانومتر لإثبات وجود تيار يتدفق عبر الأسلاك.

يسمى هذا الجهاز الذي يستخدم تفاعل تقليل الأكسدة لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية البطارية الأولية ، أو ببساطة البطارية.

في البطارية الأولية ، يشترط أن يتدفق أحد الإلكترونات من القطب السالب ، ويتدفق الإلكترون إلى القطب الموجب. في الخلية الأولية Cu-Zn ، تتدفق الإلكترونات من لوحة Zn إلى لوحة Cu. أحد طرفي اللوحة Zn هو قطب سالب ، ونهاية واحدة من اللوحة Cu هي قطب موجب. يحصل Cu2 + في محلول CuSO4 على إلكترونات من رقاقة Cu ويتم اختزالها إلى Cu المودعة على رقاقة Cu. تفقد Zn الإلكترونات لتصبح Zn2 + في محلول ZnSO4. على قطبين

الردود هي:

القطب السالب: Zn-2e-Zn2 + (تفاعل الأكسدة)

القطب الموجب: Cu2 ++ 2e - Cu (تفاعل الاختزال)

يتم إضافة القطبين معًا لتشكيل تفاعل البطارية: Zn + Cu2 + —Zn2 ++ Cu.

لأن قطب الزنك (أو النحاس) يشكل فقط نصف الخلية الأولية ، يسمى كل قطب أيضًا نصف خلية. يسمى تفاعل الأكسدة (أو الاختزال) الذي يحدث على كل قطب تفاعل نصف خلية أو نصف تفاعل. يتكون كل نصف تفاعل من مادتين مختلفتين لرقم الأكسدة من نفس العنصر ، حيث يُطلق على رقم الأكسدة المرتفع نوع مؤكسد ، ويطلق على رقم الأكسدة المنخفض نوع مخفض ، ويشكلون زوجًا من الأكسدة والاختزال كزوج كهرباء. يرمز إلى مؤكسد / مخفض. مثل الكهرباء على Zn2 + / Zn ، Cu2 + / Cu.

من الناحية النظرية ، يمكن تصميم أي تفاعل اختزالي عفوي كخلية أولية. في تفاعل الأكسدة ، يخضع المؤكسد إلى تفاعل اختزال مع الإلكترون ، ويفقد عامل الاختزال الإلكترونات للخضوع لرد فعل أكسدة. لذلك ، عندما تتكون البطارية الأولية ، يشكل زوج المؤكسدات ومنتجات الاختزال الخاصة بها قطبًا موجبًا ، ويشكل عامل الاختزال ومنتج الأكسدة زوجًا من الإلكترونات. القطب السالب.

في البطارية الأساسية Cu-Zn ، مع تقدم تفاعل البطارية ، يزداد Zn2 + في محلول ZnSO4 بشكل مستمر ، بحيث يتم شحن المحلول بشكل إيجابي ، ويجذب القطب المعاكس Zn بحيث يكون من الصعب فقدان الإلكترونات ومنع المزيد من أكسدة Zn . في الوقت نفسه ، يصبح محلول CuSO4 المودع على رقاقة Cu بسبب Cu2 + يصبح Cu ، ويتم تحميل SO42 + في المحلول بشكل سلبي بشكل مفرط. يمنع تنافر نفس الجنس الإلكترونات من التدفق إلى رقاقة Cu ، مما يمنع المزيد من اختزال Cu2 +. كلا وجهي المحلول مشحونان وسيعيقان تفاعل البطارية حتمًا. ومع ذلك ، فإن الغشاء المسامي بين المحلين يسمح للأيونات بالمرور ، وينتشر Zn2 + الزائد في المحلول الأيسر إلى المحلول الأيمن ؛ ينتشر SO42 + الزائد في الحل الأيمن إلى اليسار ، مع الحفاظ على حيادية المحاليل على كلا الجانبين حتى يستمر تفاعل البطارية. نظرًا لأن سرعة انتشار Zn2 + و SO42 + من خلال واجهة الاتصال الخاصة بالحلين مختلفة ، فإن فرقًا محتملًا يسمى جهد التوصيل ، سيحدث في واجهة الاتصال الخاصة بالحلين ، وسيؤثر وجوده على التحديد الدقيق للتيار الكهربائي. قوة البطارية. للقضاء على إمكانات الوصلات السائلة ، غالبًا ما تستخدم جسور الملح بدلاً من الفواصل المسامية.