Αρχή εργασίας και τύποι ξηρών κυττάρων

Το ξηρό στοιχείο είναι ένα απλό ηλεκτροχημικό στοιχείο που μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Αναπτύχθηκαν από τον George Leclanche το 1866 και ονομάζονται επίσης Leclanche Cells.

Οι ξηρές κυψέλες ή οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται πολύ συχνά στην καθημερινή ζωή. Χρησιμοποιούμε μπαταρίες σε ρολόγια, ρολόγια, παιχνίδια, κάμερες κ.λπ. 

Τύποι ξηρών κυττάρων

• Κύρια κύτταρα
• Δευτερεύοντα κελιά

Πρωτεύοντα κύτταρα

• Σε αυτά τα κύτταρα, η χημική αντίδραση είναι μη αναστρέψιμη.
• Μόλις καταναλωθούν τα χημικά αντιδραστήρια, το κύτταρο λέγεται ότι είναι νεκρό. Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά.
• Δεν μπορούν να επαναφορτιστούν.
• Έχουν σταθερή τάση εξόδου 1,5 V
• Αυτά τα κελιά είναι μικρά σε μέγεθος και, ως εκ τούτου, είναι εύκολο να μετακινηθούν και να μεταφερθούν.

Δευτερεύοντα κελιά

• Αυτά τα κύτταρα περιλαμβάνουν μια αναστρέψιμη χημική αντίδραση.
• Αυτά τα κελιά μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν πολλές φορές.
• Μόλις αποφορτιστεί το στοιχείο, μπορεί να επαναφορτιστεί περνώντας ηλεκτρικό ρεύμα προς την αντίθετη κατεύθυνση.
• Δεν έχουν σταθερή τάση εξόδου. Εξαρτάται από το φορτίο που συνδέεται σε αυτό.
• Αυτά τα κελιά μπορούν επίσης να μεταφερθούν, παρόλο που δεν είναι τόσο μικρά όσο τα κύρια κελιά.

Αρχή λειτουργίας και τύποι ξηρών κυττάρων 

•  Κύρια κύτταρα

• Κυψέλη άνθρακα ψευδαργύρου

Στο πρωτεύον κύτταρο, η χημική αντίδραση συμβαίνει μόνο μία φορά. Σε αυτό το κελί, η λειτουργία της ανόδου εκτελείται από τη θήκη ψευδαργύρου. Υπάρχει μια ράβδος γραφίτη/άνθρακα που αγγίζει το ορειχάλκινο καπάκι στο επάνω μέρος αλλά δεν ακουμπά τη θήκη ψευδαργύρου στο κάτω μέρος. Λειτουργεί ως κάθοδος.

Η θήκη ψευδαργύρου προστατεύεται στα πλαϊνά αλλά δεν προστατεύεται στο κάτω μέρος. Ο χώρος μεταξύ της θήκης ψευδαργύρου και της ράβδου άνθρακα είναι γεμάτος με μια υγρή πάστα από χλωριούχο αμμώνιο (NH4Cl), χλωριούχο ψευδάργυρο (ZnCl2), διοξείδιο του μαγγανίου (MnO2) και μαύρο άνθρακα. Ας δούμε τώρα τις αντιδράσεις που συμβαίνουν στην Άνοδο και την Κάθοδο αντίστοιχα.

Άνοδος: Η οξείδωση συμβαίνει στην άνοδο. Η οξείδωση είναι η απώλεια ηλεκτρονίων. Η θήκη ψευδαργύρου λειτουργεί ως άνοδος. Η οξείδωση του ψευδαργύρου συμβαίνει και ως αποτέλεσμα, η θήκη ψευδαργύρου διαβρώνεται με την πάροδο του χρόνου.

Zn(s) → Zn2+ + 2e– 

Κάθοδος: Η αναγωγή συμβαίνει στην κάθοδο. Η διαδικασία κέρδους ηλεκτρονίων ονομάζεται Αναγωγή. Εδώ, το Μαγγάνιο μειώνεται από την κατάσταση οξείδωσης +4 σε κατάσταση οξείδωσης +3. Η αμμωνία που απελευθερώνεται στη διαδικασία παγιδεύεται από ιόντα Zn+2 για να σχηματιστεί ένα σύμπλοκο [Zn (NH3)] +2. Αυτό το σύμπλοκο είναι διαλυτό στη φύση και είναι σε υδατική μορφή.

Mn+4O2 + NH4 ++ e– → Mn+3O (OH) + NH3

Zn+2 + NH3 → [Zn (NH3)]+2(aq)

Αυτό το στοιχείο έχει ηλεκτρικό δυναμικό 1,5 V.

• Κύτταρο υδραργύρου

Στην κυψέλη υδραργύρου, η άνοδος είναι κατασκευασμένη από αμάλγαμα ψευδαργύρου και μια πάστα από οξείδιο του υδραργύρου και άνθρακα είναι η κάθοδος. Ο ηλεκτρολύτης είναι η πάστα του υδροξειδίου του καλίου και του οξειδίου του ψευδαργύρου.

Το συνολικό δυναμικό αυτής της κυψέλης είναι 1,35 V. Χρησιμοποιείται σε μικρές συσκευές όπως ακουστικά βαρηκοΐας, ρολόγια κ.λπ. Δεν είναι επαναφορτιζόμενη.

Άνοδος: Η αντίδραση οξείδωσης συμβαίνει στην άνοδο. Είναι η απώλεια ηλεκτρονίων ή η προσθήκη οξυγόνου.

Zn (Hg) + 2OH– → ZnO + H2O + 2e–

Κάθοδος: HgO + H2O + 2e– → Hg (l) + 2OH–

Έτσι, η συνολική αντίδραση είναι η εξής:

Zn (Hg) + HgO(s) → ZnO(s) + Hg (l)

2. Δευτερεύοντα κύτταρα

• Δυναμικό κελί αποθήκευσης

Οι δευτερεύουσες μπαταρίες μπορούν να υποστούν μεγάλο αριθμό κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης. Μόλις χρησιμοποιηθούν, μπορούν να επαναφορτιστούν περνώντας ρεύμα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η κυψέλη αποθήκευσης μολύβδου είναι ο πιο κοινός τύπος δευτερεύουσας μπαταρίας που χρησιμοποιείται σε αυτοκίνητα και μετατροπείς.

Σε αυτό το στοιχείο, η άνοδος είναι κατασκευασμένη από μόλυβδο (Pb). Η κάθοδος περιλαμβάνει ένα πλέγμα μολύβδου γεμάτο με διοξείδιο του μολύβδου (PbO2). Διαθέτει 38% συμπυκνωμένο διάλυμα θειικού οξέος H2SO4 ως ηλεκτρολύτη μεταξύ του πλέγματος ανόδου και καθόδου.

Όταν η μπαταρία χρησιμοποιείται, εμφανίζονται οι ακόλουθες αντιδράσεις στο κελί:

Άνοδος: Η αντίδραση οξείδωσης συμβαίνει στην άνοδο, στην οποία το μόλυβδο (Pb) οξειδώνεται ή χάνει ηλεκτρόνια όταν αντιδρά με τα θειικά ιόντα από το διάλυμα H2SO4.

Pb(s) + SO4 2–(aq) → PbSO4 (s) + 2e–

Κάθοδος: Η αναγωγή των ιόντων μολύβδου από την κατάσταση +4 σε +2 συμβαίνει παρουσία του ηλεκτρολύτη.

Pb+4O2 (s) + SO4 2–(aq) + 4H+ (aq) + 2e– → Pb+2SO4 (s) + 2H2O (l)

Η συνολική αντίδραση είναι:

Pb(s) + PbO2 (s) + 2H2 SO4 (aq) → 2PbSO4 (s) + 2H2O (l) + Ενέργεια (η οποία μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια)

Καθώς χρησιμοποιείται το κύτταρο, αποφορτίζεται. Στην κατεύθυνση προς τα εμπρός, ονομάζεται Γαλβανικό κελί . Μόλις το κύτταρο χρησιμοποιηθεί πλήρως, δηλαδή αποφορτιστεί πλήρως, τότε περνάμε ηλεκτρισμό μέσα από αυτό προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό αντιστρέφει τη χημική αντίδραση στο κύτταρο. Σε αυτήν την κατάσταση, ονομάζεται Ηλεκτρολυτικό στοιχείο. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το κελί επαναφορτίζεται.

• Κυψέλες καυσίμου

Οι γαλβανικές κυψέλες που μετατρέπουν απευθείας τη χημική ενέργεια των πολύ εύφλεκτων καυσίμων όπως το υδρογόνο, το μεθάνιο κ.λπ. σε ηλεκτρική ενέργεια ονομάζονται κυψέλες καυσίμου και είναι εξαιρετικά αποδοτικές.

Σε αυτές τις κυψέλες, τα ηλεκτρόδια τροφοδοτούνται συνεχώς με τα αντιδρώντα και τα προϊόντα απομακρύνονται συνεχώς από το διαμέρισμα ηλεκτρολυτών. Τέτοιες κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία διαστημόπλοιων κ.λπ.

Σε αυτό το στοιχείο, σπρώχνουμε το αέριο υδρογόνο από το ένα άκρο και το αέριο οξυγόνο από το άλλο άκρο μέσω των πορωδών ράβδων γραφίτη στο συμπυκνωμένο διάλυμα ηλεκτρολύτη υδροξειδίου του νατρίου (NaOH).

Οι αντιδράσεις στην άνοδο και την κάθοδο είναι οι εξής:

Άνοδος: Η οξείδωση του υδρογόνου συμβαίνει στην άνοδο, δηλαδή η προσθήκη οξυγόνου συμβαίνει εδώ.

2H2 (g) + 4OH– (aq) → 4H2O (l) + 4e–

Κάθοδος: Η μείωση του οξυγόνου συμβαίνει στην κάθοδο, δηλαδή η προσθήκη υδρογόνου συμβαίνει εδώ.

O2 (g) + 2H2O (l) + 4e– → 4OH– (aq)

Η συνολική αντίδραση είναι –

2H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + ενέργεια (η οποία μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια)

Εφαρμογές ξηρών κυττάρων

• Τα κύρια κελιά χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά gadget καθώς είναι πολύ μικρότερα και εύκολα μεταφερόμενα.
• Τα στοιχεία αποθήκευσης μολύβδου χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα και μετατροπείς
• Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται σε διαστημικά προγράμματα

Συμπέρασμα

Τα ξηρά κύτταρα μετατρέπουν την αποθηκευμένη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Υποβάλλονται σε αντιδράσεις αναγωγής-οξείδωσης (Redox) στην κάθοδο και στην άνοδο. Ορισμένα ξηρά κύτταρα μπορούν να επαναφορτιστούν ενώ άλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο μία φορά. Οι δευτερεύουσες κυψέλες καυσίμου είναι απαλλαγμένες από ρύπανση και είναι εξαιρετικά αποδοτικές στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.