סביר להניח שנתקלת בסוללות שהתרוקנו, וזה מטרד אם אתה מנסה להשתמש בהן במכשירי אלקטרוניקה. הכימיה התאית של הסוללות יכולה להגיד לך תכונות של אופן הפעולה שלהן, כולל האופן שבו הן מתרוקנות.
כימיה תאית של סוללות
•••סייד חוסיין את'ר
כאשר התגובה האלקטרוכימית של סוללה מרוקנת את החומרים, הסוללה מתרוקנת. זה קורה בדרך כלל לאחר זמן רב של שימוש בסוללה.
בסוללות משתמשים בדרך כלל בתאים ראשוניים, סוג שלתא גלווניהמשתמשת בשתי מתכות שונות באלקטרוליט נוזלי כדי לאפשר העברת מטען ביניהן. מטענים חיוביים זורמים מה-קָטוֹדָה, בנוי עם קטיונים או יונים טעונים חיוביים כגון נחושת, לאָנוֹדָה, עם אניונים או יונים טעונים שלילית כגון אבץ.
טיפים
הסוללות מתרוקנות כתוצאה מכימיה כימית של האלקטרוליט בתוך הסוללה. במקרה של סוללות אלקליין, זה כאשר כל המונגן דו חמצני הומר. בשלב זה הסוללה חלשה.
כדי לזכור את הקשר הזה, אתה יכול לזכור את המילה "OILRIG." זה אומר לך את זהחמצון הוא אובדן("שמן") וצמצום הוא רווח("RIG") של אלקטרונים. הממנון לאנודות ולקתודהs הוא "ANOX REDCAT" כדי לזכור ש- "ANode" משמש עם "OXidation" ו- "REDuction" מתרחש ב "CAThode".
תאים ראשוניים יכולים לעבוד גם עם חצי תאים בודדים של מתכות שונות בתמיסה יונית המחוברת באמצעות גשר מלח או קרום נקבובי. תאים אלה מספקים לסוללות מספר עצום של שימושים.
סוללות אלקליין, המשתמשים באופן ספציפי בתגובה בין אנודת אבץ לקתודת מגנזיום, משמשים לפנסים, מכשירים אלקטרוניים ניידים ושלט רחוק. דוגמאות נוספות לרכיבי סוללה פופולריים כוללות ליתיום, כספית, סיליקון, תחמוצת כסף, חומצה כרומית ופחמן.
תכנונים הנדסיים יכולים לנצל את האופן בו סוללות מתרוקנות כדי לחסוך ולהשתמש באנרגיה מחדש. סוללות ביתיות בעלות נמוכה בדרך כלל משתמשות בתאי פחמן-אבץ שתוכננו כך שאם האבץ עוברקורוזיה גלווני, תהליך בו מתכת מתאכלת באופן מועדף, הסוללה עשויה לייצר חשמל כחלק ממעגל אלקטרונים סגור.
באיזו טמפרטורה סוללות מתפוצצות? כימיה של תאים של סוללות ליתיום-יון פירושה שסוללות אלה מתחילות בתגובות כימיות שגורמות להתפוצצותן בסביבות 1,000 מעלות צלזיוס. חומר הנחושת שבתוכם נמס מה שגורם לליבות הפנימיות להישבר.
היסטוריה של התא הכימי
בשנת 1836 הקים הכימאי הבריטי ג'ון פרדריק דניאלתא דניאלשבהם השתמש בשני אלקטרוליטים, במקום אחד בלבד, כדי לאפשר למימן שיוצר אחד לצרוך אותו על ידי השני. הוא השתמש באבץ גופרתי במקום בחומצה גופרתית, דבר נהוג בסוללות של אז.
לפני כן השתמשו מדענים בתאים וולטאיים, סוג של תא כימי המשתמש בתגובה ספונטנית, שאיבד כוח בקצב מהיר. דניאל השתמש במחסום בין לוחות הנחושת לאבץ כדי למנוע מבעבע של עודף מימן ולמנוע מהסוללה להתבלות במהירות. עבודתו תוביל לחידושים בטלגרפיה ואלקטרומטלורגיה, שיטת השימוש באנרגיה חשמלית לייצור מתכות.
איך סוללות נטענות הולכות ונטולות
תאים משנייםלעומת זאת נטענות. הסוללה הנטענת, הנקראת גם סוללת אחסון, תא משני או מצבר, מאחסנת טעינה לאורך זמן כאשר הקתודה והאנודה מחוברים במעגל זה עם זה.
בעת הטעינה, המתכת הפעילה החיובית כמו תחמוצת ניקל הידרוקסיד מתחמצנת ויוצרת אלקטרונים ולאבד אותם, בעוד שהחומר השלילי כמו קדמיום מצטמצם, לוכד אלקטרונים וצובר אוֹתָם. הסוללה משתמשת במחזורי פריקת טעינה תוך שימוש במגוון מקורות כולל חשמל זרם חילופין כמקור מתח חיצוני.
סוללות נטענות עדיין יכולות להתרוקן לאחר שימוש חוזר מכיוון שהחומרים המעורבים בתגובה מאבדים את יכולתם להיטען ולהטעין מחדש. כאשר מערכות הסוללה הללו נשחקות, ישנן דרכים שונות בהן הסוללות מתרוקנות.
מאחר שמשתמשים בסוללות באופן שגרתי, חלקן כמו סוללות עופרת עשויות לאבד את יכולת הטעינה. ליתיום של סוללות ליתיום-יון עשוי להפוך למתכת ליתיום תגובתי שאינה יכולה להיכנס מחדש למחזור פריקת הטעינה. סוללות עם אלקטרוליטים נוזליים עלולות לרדת בלחות שלהן בגלל אידוי או טעינה יתר.
יישומים של סוללות נטענות
בדרך כלל משתמשים בסוללות אלה בתחנות רכב, כסאות גלגלים, אופניים חשמליים, כלי חשמל ותחנות כוח לאחסון סוללות. מדענים ומהנדסים בחנו את השימוש בהם בסוללות בעירה פנימית היברידית וברכבים חשמליים כדי להיות יעילים יותר בשימוש בחשמל שלהם ולהימשך זמן רב יותר.
סוללת העופרת הנטענת שוברת מולקולות מים (ה2או) לתמיסת מימן מימית (ה+) ויוני תחמוצת (או2-) המייצר אנרגיה חשמלית מהקשר השבור כאשר המים מאבדים את מטענם. כאשר תמיסת מימן מימית מגיבה עם יוני תחמוצת אלה, קשרי ה- O-H החזקים משמשים להפעלת הסוללה.
פיזיקה של תגובות סוללות
אנרגיה כימית זו מפעילה תגובת חמצון הממירה מגיבים בעלי אנרגיה גבוהה למוצרים בעלי אנרגיה נמוכה יותר. ההבדל בין המגיבים והמוצרים מאפשר לתגובה לקרות ויוצר מעגל חשמלי כאשר הסוללה מחוברת על ידי המרת אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית.
בתא גלווני, למגיבים, כמו אבץ מתכתי, יש אנרגיה חופשית גבוהה המאפשרת לתגובה להתרחש באופן ספונטני ללא כוח חיצוני.
למתכות המשמשות את האנודה והקתודה יש אנרגיות מלוכדות סריג שיכולות להניע את התגובה הכימית. האנרגיה המגובשת של הסריג היא האנרגיה הנדרשת להפרדת האטומים היוצרים את המתכת זה מזה. אבץ מתכתי, קדמיום, ליתיום ונתרן משמשים לעיתים קרובות מכיוון שיש להם אנרגיות יינון גבוהות, האנרגיה המינימלית הנדרשת להסרת אלקטרונים מאלמנט.
תאים גלווניים המונעים על ידי יונים מאותה מתכת יכולים להשתמש בהבדלים באנרגיה חופשית כדי לגרום לאנרגיה חופשית של גיבס להניע את התגובה. הגיבס אנרגיה חופשיתהיא צורה אחרת של אנרגיה המשמשת לחישוב כמות העבודה בה משתמש תהליך תרמודינמי.
במקרה זה, השינוי באנרגיה חופשית של גיבסזo מניע את המתח, או את הכוח החשמליהoבוולט, על פי המשוואה
E ^ {\ text {o}} = \ frac {- \ Delta_rG ^ {\ text {o}}} {v_eF}
בוvההוא מספר האלקטרונים המועברים במהלך התגובה ו- F הוא קבוע של פאראדיי (F = 96485.33 C mol−1).
הΔרזo מציין שהמשוואה משתמשת בשינוי באנרגיה חופשית של גיבס (Δרזo =זסופי - זהתחלתי).האנטרופיה גוברת ככל שהתגובה משתמשת באנרגיה החופשית הזמינה. בתא דניאל, הבדל האנרגיה המגובשת של הסריג בין אבץ ונחושת מהווה את מרבית ההבדל באנרגיה החופשית של גיבס עם התרחשות התגובה.Δרזo= -213 kJ / mol, שהוא ההבדל באנרגיה החופשית של Gibbs של המוצרים ושל המגיבים.
מתח של תא גלווני
אם אתה מפריד בין התגובה האלקטרוכימית של תא גלווני לחצי התגובות של חמצון והפחתה תהליכים, אתה יכול לסכם את הכוחות האלקטרומטיביים המתאימים כדי להשיג את הפרש המתח הכולל המשמש ב- תָא.
לדוגמא, תא גלווני טיפוסי עשוי להשתמש ב- CuSO4 ו- ZnSO4 עם חצי תגובות רגילות פוטנציאליות כמו:Cu2+ + 2 ה− ⇌ Cuעם פוטנציאל אלקטרומוטיבי תואםהo = +0.34 וולטוZn2+ + 2 ה− ⇌ זןעם פוטנציאלהo = −0.76 V.
לתגובה הכוללת,Cu2+ + Zn ⇌ Cu + Zn2+ , אתה יכול "להפוך" את משוואת חצי התגובה לאבץ תוך כדי היפוך סימן הכוח האלקטרו-מנועי להשגהZn ⇌ Zn2+ + 2 ה− עםהo = 0.76 V.פוטנציאל התגובה הכללי, סכום הכוחות האלקטרומוטיים, הוא אז+0.34 וולט - (-0.76 וולט) = 1.10 וולט.