توضیح پیل شیمیایی و پیل الکترولیتی

پیل شیمیایی و پیل الکترولیتی هر دو پیل‌های الکترو شیمیایی هستند که در قلب الکترو شیمی هستند. در این مقاله، در مورد کار انفرادی هر یک از این باتری‌ها یاد خواهیم گرفت.
قبل از مطالعه‌ی اقیانوس، فرد باید تالاب محلی را مطالعه و بررسی کند. این واقعیت در مورد دنیای الکترو شیمی نیز صادق است. برای درک و شناخت کار باتری‌های بزرگ، ابتدا باید کار پیل منفرد را آنالیز و مطالعه کرد.
پیل الکتریکی اولین بار در اواخر دهه‌ی 1800 مورد استفاده قرار گرفت و بعداً تکامل پیدا کرد تا بیشتر از یک جزء ساده، درون باتری باشد. امروزه، پیل‌های الکترو شیمیایی علاوه بر این که تلفن‌های همراه ما، لپ تاب‌ها، خودروها، وارونگرها و غیره را شارژ می‌کنند، کاربردهایی نیز در فرآیندهای تخصصی مختلف مثل الکترولیز و آبکاری یافته‌اند.
پیل‌ها در سطح ابتدایی می‌توانند به دو نوع اصلی تقسیم شوند – پیل شیمیایی و پیل الکترولیتی. پیل شیمیایی اساس کار باتری‌های مدرن امروزی را تشکیل می‌دهد اما پیل الکترولیتی به ما کمک می‌کند که درک کنیم چگونه پیل‌ها می‌توانند در کاربردهای تخصصی به کار گرفته شوند. در بخش‌های زیر هر دو نوع این پیل‌ها را با جزئیات بیشتر بررسی خواهیم کرد.

پیل شیمیایی :

پیل شیمیایی مثالی است از آنچه به پیل الکترو شیمیایی مشهور است. این پیل به خاطر این واقعیت به این دسته بندی تعلق دارد که درون این پیل، واکنش شیمیایی رخ می‌دهد که منجر به تولید انرژی الکتریکی مناسب می‌شود. پیل شیمیایی پایه و اساس باتری‌های مدرن امروزی را تشکیل می‌دهد. در زیر اصول کار پیل شیمیایی آورده شده است.

اصول کار :

وقتی دو صفحه فلزی غیر مشابه به طور هم زمان در محلول الکترولیت غوطه ور می‌شوند، فلزی که اکتیویته‌ی بالاتری دارد به طور شیمیایی با الکترولیت ترکیب می‌شود. این امر موجب حل شدن آن در الکترولیت می‌شود و با تولید یون‌های باردار مثبت، الکترون‌های آزاد بر روی صفحه بر جای می‌مانند. در نتیجه، آن صفحه‌ی فلزی به طور منفی باردار می‌شود.
صفحه‌ی فلزی دیگر که اکتیویته‌ی پایین‌تری دارد، تمایل پیدا می‌کند که یون‌های مثبت موجود در الکترولیت را جذب کند در نتیجه این یون‌ها بر روی سطح آن فلز رسوب می‌کنند و باعث می‌شوند به طور مثبت باردار شود.
حال اگر رسانایی، به طور خارجی بین این دو صفحه‌ی فلزی قرار داده شود، جریانی از طریق رسانا شروع به شارش می‌کند. این جریان به طور مستقیم متناسب با مقدار بار مثبت و منفی موجود بر روی صفحات فلزی است.

پیل شیمیایی ساده : ساختمان و نحوه کار

ساختمان :

شکل بالا، بخش‌های اصلی برای ساخت پیل شیمیایی ساده را نشان می‌دهد. محلول اسید سولفوریک در محلول به عنوان الکترولیت برای واکنش عمل می‌کند. دو الکترود فلزی در این محلول غوطه ور شده‌اند. یک الکترود از جنس روی و دیگری از مس است. رسانای خارجی که بین این دو الکترود به کار رفته در شکل نشان داده شده است.

نحوه کار پیل شیمیایی :

از این دو فلز به کار رفته، روی اکتیویته‌ی بالاتری در اسید سولفوریک دارد. در نتیجه به آرامی به شکل یون‌های مثبت روی، در محلول الکترولیت حل می‌شود و الکترون‌های آزاد بر روی الکترود، بر جای می‌مانند. این واکنش به طور خود به خود ادامه می‌یابد تا این که تعادل بین تعداد یون‌های روی که تشکیل می‌شوند و تعداد یون‌های روی که به الکترود برمی‌گردند، برقرار شود. در این نقطه، ولتاژ الکترود روی، 62ر0- ولت است. معادله زیر نشانگر این واکنش است.
در الکترود روی :Zn^(++)+2e^(--) Zn →
یون‌های مثبت روی، پیوند مولکولی بین هیدروژن و گوگرد در اسید سولفوریک را می‌شکنند و با یون‌های SO_4 منفی الکترولیت واکنش می‌دهند. این واکنش منجر به شکل گیری ZnSO_4 می‌‌شود. در زیر واکنش شیمیایی که در الکترود روی رخ می‌دهد آورده شده است.
در محلول اسید سولفوریک : H_2 SO_4 →〖2H〗^(++)+ SO_4^(--)
Zn^(++) + SO_4^(--) →ZnSO_4
یون‌های هیدروژن مثبت که از اسید سولفوریک آزاد می‌شوند در محلول الکترولیت پخش می‌شوند. این یون‌ها وقتی به الکترود مس می‌رسند با آن واکنش می‌دهند و الکترون‌ها را خارج می‌کنند تا گاز هیدروژن را شکل دهند که به صورت حباب از محلول خارج می‌شود. این واکنش در زیر نشان داده شده است.
در الکترود مس : 〖2H〗^++ 〖2e〗^- → H_2^gas
بعد از مدت زمانی، تولید الکترون از مس متوقف می‌شود چون پتانسیل مثبت که بر روی الکترود مس ایجاد می‌شود، یون‌های هیدروژن مثبت را دفع می‌کند. در این نقطه، ولتاژ مثبت بر روی صفحه‌ی مس 46ر0 ولت است.
در نتیجه اختلاف پتانسیل کلی بین دو الکترود 08ر1 ولت می‌شود. این اختلاف پتانسیل، نیروی الکترو موتوری پیل شیمیایی نامیده می‌شود. وقتی رسانای خارجی بین دو الکترود قرار داده می‌شود، با بسته شدن کلید، جریان شروع به شارش از طریق رسانا می‌کند و لامپ روشن می‌شود.

پیل الکترولیتی :

پیل الکترولیتی مثال دیگری از پیل الکترو شیمیایی است. اما دقیقاً بر خلاف روش پیل شیمیایی کار می‌کند. پیل الکترولیتی به جای تولید الکتریسیته از طریق واکنش شیمیایی، یک واکنش شیمیایی مفید را به کمک اختلاف پتانسیل خارجی اعمالی به پیش می‌راند. در زیر اصول کار آن آورده شده است.

اصول کار :

پیل الکترولیتی برای انجام الکترولیز به کار می‌رود. پسوند لیز در زبان یونانی به معنای شکافتن است. در نتیجه الکترولیز فرآیندی است که در آن ترکیب، به کمک انرژی الکتریکی به عناصر سازنده‌ی خود می‌شکافد و تجزیه می‌شود.
در پیل‌های الکترولیتی، ترکیبی که باید تجزیه شود به مایع تبدیل می‌شود و به عنوان الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گیرد. دو الکترود خنثی در این محلول الکترولیت غوطه ور می‌شوند و اختلاف پتانسیل خارجی ایجاد شده بین آنها به عنوان منبع الکترو موتوری عمل می‌کند. این امر موجب می‌شود که یکی از الکترودها به طور مثبت و دیگری به طور منفی باردار شود.
به خاطر همین نیروی الکترو موتوری، عناصر الکترولیت مایع به یون‌های مثبت و منفی تجزیه می‌شوند، یون‌های مثبت جذب الکترود منفی می‌شوند و بر روی آن رسوب می‌کنند ولی یون‌های منفی بر روی الکترود مثبت رسوب می‌کنند. در نتیجه الکترولیز یا تجزیه ترکیب با استفاده از انرژی الکتریکی به دست می‌آید. این اصول کار اساسی پیل الکترولیتی است.
پیل الکترولیتی ساده : ساختمان و طرز کار

ساختمان :

در مثال ما، ترکیبی که باید تجزیه شود نمک ساده است. این نمک ابتدا با حرارت دهی تا زمانی که کریستال‌های نمک ذوب شوند، به مایع تبدیل می‌شود. سپس این مایع در ظرف الکترولیز ریخته می‌شود. دو الکترود خنثی در محلول NaCl مایع غوطه ور می‌شوند و با استفاده از باتری، اختلاف پتانسیلی بین آنها اعمال می‌شود که در شکل بالا نشان داده شده است.

طرز کار :

وقتی اختلاف پتانسیلی بین دو الکترود خنثی اعمال می‌شود بار یکی از الکترودها مثبت و دیگری منفی می‌شود. الکترود مثبت یون‌های کلر منفی و الکترود منفی یون‌های سدیم مثبت را جذب می‌کند.
وقتی یون‌های سدیم مثبت در تماس با الکترود منفی قرار می‌گیرند، الکترون‌هایی را از الکترود می‌گیرند و به فلز سدیم تبدیل می‌شوند که بر روی الکترود رسوب می‌کند. این واکنش در معادله زیر نشان داده شده است.
در کاتد : Na^(++)+ e^- →Na
یون‌های کلر منفی نیز وقتی به الکترود مثبت می‌رسند، الکترون‌ از دست می‌دهند و به گاز کلر اکسید می‌شوند که به صورت حباب از محلول خارج می‌شود. معادله زیر نشانگر واکنش است.
در آند : 〖2Cl〗^- → Cl_2+ e^-
در نتیجه ترکیب NaCl در پیل الکترولیتی به عناصر سازنده‌ی خود یعنی Na و Cl تجزیه می‌شود.