आपने शायद बैटरियों को फ्लैट होने का सामना किया है, जो कि एक उपद्रव है यदि आप उन्हें इलेक्ट्रॉनिक्स उपकरणों में उपयोग करने का प्रयास कर रहे हैं। बैटरियों की सेल केमिस्ट्री आपको इस बात के गुण बता सकती है कि वे कैसे काम करती हैं, जिसमें वे कैसे सपाट होती हैं।
बैटरी की सेल रसायन शास्त्र
•••सैयद हुसैन अथेरे
जब बैटरी की विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया सामग्री को समाप्त कर देती है, तो बैटरी सपाट हो जाती है। यह आमतौर पर लंबे समय तक बैटरी उपयोग के बाद होता है।
बैटरी आमतौर पर प्राथमिक कोशिकाओं का उपयोग करती हैं, एक प्रकार काबिजली उत्पन्न करनेवाली सेलजो एक तरल इलेक्ट्रोलाइट में दो अलग-अलग धातुओं का उपयोग करता है ताकि उनके बीच चार्ज ट्रांसफर हो सके। धनात्मक आवेश प्रवाहित होते हैंकैथोड, धनायनों या धनात्मक आवेशित आयनों जैसे तांबे से निर्मित,एनोड, आयनों या नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों जैसे जस्ता के साथ।
टिप्स
बैटरी के भीतर इलेक्ट्रोलाइट के रसायनों के सूखने के परिणामस्वरूप बैटरी ख़राब हो जाती है। क्षारीय बैटरी के मामले में, यह तब होता है जब सभी मैंगनीज डाइऑक्साइड को परिवर्तित कर दिया जाता है। इस स्तर पर बैटरी सपाट है।
इस रिश्ते को याद रखने के लिए आप "OILRIG" शब्द को याद कर सकते हैं। यह आपको बताता है किऑक्सीकरण हानि है("तेल") औरकमी लाभ है("RIG") इलेक्ट्रॉनों का।एनोड और कैथोड के लिए स्मरकs "ANOX REDCAT" है यह याद रखने के लिए कि "ANode" का उपयोग "OXidation" के साथ किया जाता है और "रिडक्शन" "कैथोड" पर होता है।
प्राथमिक कोशिकाएं नमक पुल या झरझरा झिल्ली से जुड़े आयनिक घोल में विभिन्न धातुओं की अलग-अलग अर्ध-कोशिकाओं के साथ भी काम कर सकती हैं। ये सेल असंख्य उपयोगों के साथ बैटरी प्रदान करते हैं।
क्षारीय बैटरी, जो विशेष रूप से जिंक एनोड और मैग्नीशियम कैथोड के बीच प्रतिक्रिया का उपयोग करते हैं, फ्लैशलाइट, पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और रिमोट कंट्रोल के लिए उपयोग किए जाते हैं। लोकप्रिय बैटरी तत्वों के अन्य उदाहरणों में लिथियम, पारा, सिलिकॉन, सिल्वर ऑक्साइड, क्रोमिक एसिड और कार्बन शामिल हैं।
ऊर्जा के संरक्षण और पुन: उपयोग के लिए बैटरी के फ्लैट होने के तरीके का इंजीनियरिंग डिजाइन लाभ उठा सकते हैं। कम लागत वाली घरेलू बैटरियां आमतौर पर कार्बन-जिंक कोशिकाओं का उपयोग करती हैं जिन्हें इस तरह से डिज़ाइन किया गया है कि, यदि जस्ता गुजरता हैबिजली उत्पन्न करनेवाली जंग, एक प्रक्रिया जिसमें एक धातु अधिमान्य रूप से संक्षारित होती है, बैटरी एक बंद इलेक्ट्रॉन सर्किट के हिस्से के रूप में बिजली का उत्पादन कर सकती है।
बैटरी किस तापमान पर फटती है? लिथियम-आयन बैटरियों की सेल केमिस्ट्री का मतलब है कि ये बैटरियां रासायनिक प्रतिक्रियाएं शुरू करती हैं जिसके परिणामस्वरूप उनका विस्फोट लगभग 1,000 डिग्री सेल्सियस पर होता है। इनके अंदर का कॉपर पदार्थ पिघल जाता है जिससे आंतरिक कोर टूट जाते हैं।
रासायनिक सेल का इतिहास
1836 में ब्रिटिश रसायनज्ञ जॉन फ्रेडरिक डेनियल ने इसका निर्माण किया थाडेनियल सेलजिसमें उन्होंने केवल एक के बजाय दो इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग किया, ताकि एक द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन को दूसरे द्वारा उपभोग किया जा सके। उन्होंने सल्फ्यूरिक एसिड के बजाय जिंक सल्फेट का इस्तेमाल किया, जो उस समय की बैटरी का आम चलन था।
इससे पहले, वैज्ञानिकों ने वोल्टाइक कोशिकाओं का इस्तेमाल किया, एक प्रकार का रासायनिक सेल जो एक सहज प्रतिक्रिया का उपयोग करता है, जो तेज दरों पर बिजली खो देता है। डेनियल ने अतिरिक्त हाइड्रोजन को बुदबुदाने से रोकने और बैटरी को जल्दी खराब होने से रोकने के लिए तांबे और जस्ता प्लेटों के बीच एक अवरोध का उपयोग किया। उनके काम से टेलीग्राफी और इलेक्ट्रोमेटेलर्जी में नवाचारों को बढ़ावा मिलेगा, धातुओं के उत्पादन के लिए विद्युत ऊर्जा का उपयोग करने की विधि।
कैसे रिचार्जेबल बैटरी फ्लैट हो जाती है
माध्यमिक कोशिकाएंदूसरी ओर, रिचार्जेबल हैं। रिचार्जेबल बैटरी, जिसे स्टोरेज बैटरी, सेकेंडरी सेल या एक्यूमुलेटर भी कहा जाता है, समय के साथ चार्ज होती रहती है क्योंकि कैथोड और एनोड एक दूसरे के साथ सर्किट में जुड़े होते हैं।
चार्ज करते समय, सकारात्मक सक्रिय धातु जैसे निकल ऑक्साइड हाइड्रॉक्साइड ऑक्सीकृत हो जाती है, जिससे इलेक्ट्रॉन बनते हैं और उन्हें खोना, जबकि कैडमियम जैसी नकारात्मक सामग्री कम हो जाती है, इलेक्ट्रॉनों को पकड़ना और प्राप्त करना उन्हें। बैटरी बाहरी वोल्टेज स्रोत के रूप में वर्तमान बिजली को वैकल्पिक करने सहित विभिन्न स्रोतों का उपयोग करके चार्जिंग-डिस्चार्जिंग चक्रों का उपयोग करती है।
बार-बार उपयोग करने के बाद भी रिचार्जेबल बैटरी फ्लैट हो सकती है क्योंकि प्रतिक्रिया में शामिल सामग्री चार्ज करने और फिर से चार्ज करने की क्षमता खो देती है। जैसे-जैसे ये बैटरी सिस्टम खराब होते जाते हैं, बैटरी के अलग-अलग तरीके से फ्लैट हो जाते हैं।
चूंकि बैटरियों का नियमित रूप से उपयोग किया जाता है, उनमें से कुछ जैसे लेड-एसिड बैटरी रिचार्ज करने की क्षमता खो सकती हैं। लिथियम-आयन बैटरी का लिथियम प्रतिक्रियाशील लिथियम धातु बन सकता है जो चार्ज-डिस्चार्ज चक्र में फिर से प्रवेश नहीं कर सकता है। तरल इलेक्ट्रोलाइट्स वाली बैटरियों में वाष्पीकरण या अधिक चार्ज होने के कारण उनकी नमी में कमी आ सकती है।
रिचार्जेबल बैटरी के अनुप्रयोग of
इन बैटरियों का उपयोग आमतौर पर ऑटोमोबाइल स्टार्टर्स, व्हीलचेयर, इलेक्ट्रिक साइकिल, पावर टूल्स और बैटरी स्टोरेज पावर स्टेशनों में किया जाता है। वैज्ञानिकों और इंजीनियरों ने अपने बिजली के उपयोग में अधिक प्रभावी बनने और लंबे समय तक चलने के लिए हाइब्रिड आंतरिक दहन-बैटरी और इलेक्ट्रिक वाहनों में उनके उपयोग का अध्ययन किया है।
रिचार्जेबल लेड-एसिड बैटरी पानी के अणुओं को तोड़ती है (एच2हे) जलीय हाइड्रोजन विलयन में (एच+) और ऑक्साइड आयन (हे2-) जो टूटे हुए बंधन से विद्युत ऊर्जा पैदा करता है क्योंकि पानी अपना चार्ज खो देता है। जब जलीय हाइड्रोजन विलयन इन ऑक्साइड आयनों के साथ प्रतिक्रिया करता है, तो बैटरी को शक्ति प्रदान करने के लिए मजबूत ओ-एच बांड का उपयोग किया जाता है।
बैटरी प्रतिक्रियाओं का भौतिकी
यह रासायनिक ऊर्जा एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया को शक्ति देती है जो उच्च-ऊर्जा अभिकारकों को निम्न-ऊर्जा उत्पादों में परिवर्तित करती है। अभिकारकों और उत्पादों के बीच का अंतर प्रतिक्रिया को होने देता है और एक विद्युत परिपथ बनाता है जब बैटरी को रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करके जोड़ा जाता है।
गैल्वेनिक सेल में, धातु जस्ता जैसे अभिकारकों में एक उच्च मुक्त ऊर्जा होती है जो बाहरी बल के बिना प्रतिक्रिया को स्वचालित रूप से होने देती है।
एनोड और कैथोड में उपयोग की जाने वाली धातुओं में जालीदार ऊर्जा होती है जो रासायनिक प्रतिक्रिया को चला सकती है। जालक संसंजक ऊर्जा वह ऊर्जा है जो धातु को एक दूसरे से बनाने वाले परमाणुओं को अलग करने के लिए आवश्यक होती है। धातु जस्ता, कैडमियम, लिथियम और सोडियम का अक्सर उपयोग किया जाता है क्योंकि उनके पास उच्च आयनीकरण ऊर्जा होती है, एक तत्व से इलेक्ट्रॉनों को निकालने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा।
एक ही धातु के आयनों द्वारा संचालित गैल्वेनिक कोशिकाएं मुक्त ऊर्जा में अंतर का उपयोग करके प्रतिक्रिया को चलाने के लिए गिब्स मुक्त ऊर्जा का कारण बन सकती हैं।गिब्स मुक्त ऊर्जाएक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया द्वारा उपयोग किए जाने वाले कार्य की मात्रा की गणना करने के लिए उपयोग की जाने वाली ऊर्जा का दूसरा रूप है।
इस मामले में, मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तनजीहे वोल्टेज, या इलेक्ट्रोमोटिव बल को चलाता हैइहेवोल्ट में, समीकरण के अनुसार
E^{\text{o}}=\frac{-\Delta_rG^{\text{o}}}{v_eF}
जिसमेंवीइप्रतिक्रिया के दौरान स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या है और F फैराडे स्थिरांक है (F = 96485.33 C mol−1).
Δआरजीहे इंगित करता है कि समीकरण गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन का उपयोग करता है (Δआरजीहे =जीअंतिम - जीप्रारंभिक).जैसे ही प्रतिक्रिया उपलब्ध मुक्त ऊर्जा का उपयोग करती है, एन्ट्रापी बढ़ जाती है। डेनियल सेल में, जस्ता और तांबे के बीच जाली संयोजी ऊर्जा अंतर प्रतिक्रिया के रूप में अधिकांश गिब्स मुक्त ऊर्जा अंतर के लिए खाता है।Δआरजीहे= -213 kJ/mol, जो उत्पादों और अभिकारकों की गिब्स मुक्त ऊर्जा में अंतर है।
गैल्वेनिक सेल का वोल्टेज Vol
यदि आप एक गैल्वेनिक सेल की विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया को ऑक्सीकरण और कमी की आधी प्रतिक्रियाओं में अलग करते हैं प्रक्रियाओं में, आप उपयोग किए गए कुल वोल्टेज अंतर को प्राप्त करने के लिए संबंधित इलेक्ट्रोमोटिव बलों को जोड़ सकते हैं सेल।
उदाहरण के लिए, एक विशिष्ट गैल्वेनिक सेल CuSO. का उपयोग कर सकता है4 और ZnSO4 मानक संभावित आधा प्रतिक्रियाओं के साथ:घन2+ + 2 ई− क्यूइसी इलेक्ट्रोमोटिव क्षमता के साथइहे = +0.34 वीतथाZn2+ + 2 ई− Znक्षमता के साथइहे = -0.76 वी।
समग्र प्रतिक्रिया के लिए,घन2+ + Zn Cu + Zn2+ , आप प्राप्त करने के लिए इलेक्ट्रोमोटिव बल के संकेत को फ़्लिप करते समय जस्ता के लिए आधा प्रतिक्रिया समीकरण "फ्लिप" कर सकते हैंZn Zn2+ + 2 ई− साथ सेइहे = 0.76 वी।समग्र प्रतिक्रिया क्षमता, इलेक्ट्रोमोटिव बलों का योग, तब है+0.34 वी - (−0.76 वी) = 1.10 वी.