انرژی در واکنش‌های اکسایش کاهش
واکنش‌های اکسایش کاهش (Redox) از واکنش‌های مهم شیمیایی هستند که در آن‌ها انتقال الکترون رخ می‌دهد. در این فرآیند، ماده‌ای اکسایش می‌یابد (الکترون از دست می‌دهد) و ماده‌ای دیگر کاهش می‌یابد (الکترون می‌گیرد). این انتقال الکترون‌ها منبعی از انرژی شیمیایی است که در صورت مدیریت صحیح، می‌توان آن را به انرژی الکتریکی تبدیل کرد.
سلول گالوانی چیست؟
سلول گالوانی (Galvanic Cell) یا سلول ولتایی، دستگاهی است که انرژی آزاد شده در واکنش‌های اکسایش کاهش را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این سلول‌ها بر اساس واکنش‌های خودبه‌خودی Redox کار می‌کنند.
ساختار یک سلول گالوانی
یک سلول گالوانی معمولاً شامل اجزای زیر است:
- دو الکترود (فلزات مختلف) که در محلول‌های الکترولیت خود قرار دارند.
- آند: الکترودی که در آن اکسایش رخ می‌دهد (الکترون از دست می‌دهد).
- کاتد: الکترودی که در آن کاهش انجام می‌شود (الکترون می‌گیرد).
- پل نمکی: لوله یا ژلی حاوی نمک که برای حفظ تعادل بار یونی بین دو نیم‌سلول به‌کار می‌رود.
- سیم خارجی: راهی برای عبور الکترون‌ها از آند به کاتد.
آزاد شدن انرژی در سلول گالوانی چگونه رخ می‌دهد؟
در سلول گالوانی، هنگامی که ماده‌ای مانند فلز روی (Zn) در محلول یونی خود قرار می‌گیرد، تمایل دارد الکترون از دست بدهد:
نیم‌واکنش آند (اکسایش):
⁻Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e
الکترون‌ها از طریق سیم به الکترودی مثل مس (Cu) منتقل می‌شوند که در محلول یون‌های Cu²⁺ قرار دارد. یون‌های Cu²⁺ این الکترون‌ها را دریافت کرده و به مس فلزی تبدیل می‌شوند:
نیم‌واکنش کاتد (کاهش):
Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)
در این فرآیند، انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در تفاوت پتانسیل الکترودها به جریان الکتریکی در مدار تبدیل می‌شود. این جریان می‌تواند برای روشن کردن یک لامپ یا شارژ باتری مورد استفاده قرار گیرد.
مثال کامل از سلول گالوانی (سلول روی-مس)
واکنش کلی:
Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)
- آند (فلز روی): اکسایش رخ می‌دهد، الکترون آزاد می‌شود.
- کاتد (یون مس): کاهش رخ می‌دهد، الکترون دریافت می‌شود.
- انرژی آزاد شده: به‌صورت جریان الکتریکی قابل استفاده بین الکترودها جریان می‌یابد.
کاربردهای سلول گالوانی
- باتری‌ها (مانند باتری‌های آلکالاین یا لیتیومی)
- پیل‌های سوختی برای تأمین انرژی وسایل نقلیه یا دستگاه‌های قابل حمل
- آزمایشگاه‌های آموزشی برای درک اصول الکتروشیمی
- سنسورها و تجهیزات پزشکی (مانند الکترودهای ECG یا گلوکومترها)
جمع‌بندی
در واکنش‌های اکسایش کاهش، الکترون‌ها از یک ماده به ماده دیگر منتقل می‌شوند و این انتقال همراه با آزاد شدن انرژی است. سلول گالوانی ابزاری علمی و کاربردی برای تبدیل این انرژی شیمیایی به جریان الکتریکی است. شناخت عملکرد این سلول‌ها، پایه‌ای مهم برای درک باتری‌ها و تولید انرژی پاک به شمار می‌رود.
