باتری گالوانیزه

پیل گالوانی (به انگلیسی: Galvanic cell) نوعی پیل الکتروشیمیایی است که با واکنش شیمیایی، انرژی الکتریکی تولید می‌کند.

پیل گالوانی یک نوع پیل برق‌کافتی است که به نام لویی گالوانی نامگذاری شده‌است. در این پیل انرژی الکتریکی ناشی از واکنش‌های الکتروشیمی بوجود می‌آید. این پیل گاهی با نام ولتا شناخته می‌شود که برگرفته آلساندرو ولتا مخترع پیل ولتایی اولین باتری الکتریکی است.

پیل گالوانیزه ۱

تاریخچه

در سال ۱۷۸۰ لوئیجی گالوانی کشف کرد که وقتی دو فلز مختلف (مثلا مس و روی) در تماس هستند و سپس همزمان به دو قسمت مختلف  عضله پای قورباغه می روند، برای بستن مدار، پاهای قورباغه منقبض می‌شوند. او این عمل را “الکتریسته حیوانات” نامید. گذشته این پای قورباغه بعنوان آشکارساز جریان الکتریسیته، یک الکترولیت بود. یکسال پس از یک آشکارساز مبتنی بر نیرو و کاغذ خیس شده (بعنوان الکترولیت) می تواند استفاده شود.

بعدها ولتا، یک پیل ولتائیک را اختراع کرد، که هر پیل گالوانیکی متشکل از یک دیسک فلزی، یک لایه الکترولیت و یک دیسک از فلزات مختلف است. او آن را کاملا از مواد غیر بیولوژیکی ساخت تا نظریه الکتریسیته حیوانی گالوانیزه را با توجه به نظریه الکتریسیته اتصال متال-متال خود به چالش بکشد. کارلو ماتوسکی به نوبه خود و در جواب نظریه ولتا، باتری ای ساخت که از مواد بیولوژیکی ساخته شده بود.نظریه اتصال برق ولتا  هر الکترود را با عددی مشخص می کند که ما امروزه آن را کارکرد الکترود می‌نامیم.

حدود چهل سال بعد، فارادی نشان داد که پیل گالوانیزه – که غالبا به نام پیل‌های  ولتاژ نامیده می‌شوند – به حالت شیمیایی در طبیعت بودند. فارادی اصطلاح جدیدی به زبان شیمی معرفی کرد: الکترود (کاتد و آند)، الکترولیت و یون (کاتیون و آنیون). بنابراین گالوانی نادرست تصور می کرد که منبع الکتریسیته  در حیوانات است و اشتباه فکر می کرد که آن در خواص فیزیکی الکترودهای جدا شده است، اما فارادی منبع emf را به عنوان واکنش شیمیایی در دو واسط الکترود- الکترولیتی به درستی شناسایی کرد.

توسط ویلهلم کونیگ در سال ۱۹۴۰ پیشنهاد شد که این شیء  به عنوان باتری بغداد شناخته شود، ممکن است تکنولوژی پیل‌های گالوانیک ازایران باستان باشد. نسخه دوم این پیل که از اسید سیتریک و آب انگور پر شده است، ولتاژ تولید می کند. با این حال، این دور از تصور است که هدف آن بوده که: دانشمندان دیگر اشاره کرده اند که این بسیار شبیه به لوله های شناخته شده است که برای ذخیره طومارهایی از جنس پوست استفاده می شده است.

توصیفی ساده

در ساده ترین شکل، نیمه سلول شامل یک فلز جامد (به نام الکترود) است که در یک محلول غوطه ور است. محلول حاوی کاتیون (+) از فلز الکترود و آنیون (-) برای تعادل شارژ کاتدی است. پیل کامل شامل دو نیمه سلول است که معمولا توسط یک غشاء نیمه نفوذ پذیر یا یک پل نمکی متصل می شود که از یون های فلز نجیب تر است که از الکترود خارج می شود.

پیل گالوانیزه ۲

انرژی دافعه واکنش های سلولی گالوانیزه

پروسه های الکتروشیمیایی در یک پیل گالوانیک اتفاق می افتد زیرا واکنش دهنده های انرژی آزاد به محصولات کم انرژی تبدیل می شوند. تفاوت در انرژی های منسجم شبکه ای فلزات الکترود، گاهی اوقات محرک پر انرژی واکنش، به ویژه در پیل دنیل است. فلزات Zn، Cd، Li و Na، که با اتصال d-orbital تثبیت نشده اند و انرژی های انسانی بالاتری از تمام فلزات انتقالی، از جمله Cu دارند (یعنی آنها ضعیف تر هستند) و به همین دلیل به عنوان فلزات با انرژی بالا، مفید هستند.

تفاوت بین انرژی های یونیزاسیون فلزات در آب، سهم دیگری از انرژی است که می تواند واکنش در یک سلول گالوانیزه را هدایت کند؛ این مسئله در پیل دانیل مهم نیست، زیرا انرژی های یون Cu2 + و Zn2 + هیدراته مشابه اتفاق می افتد. پیل‌های غنی از الکترودها و یون ها از همان فلز ساخته شده اند و توسط یک افزایش آنتروپی و کاهش انرژی آزاد، با کاهش غلظت یون برابر می شوند. این نشان می دهد که تفاوت الکترونگاتیوی فلزات نیروی محرکه فرایندهای الکتروشیمیایی نیست.

سلول های گالوانیزه و باتری ها به طور معمول به عنوان منبع برق مورد استفاده قرار می گیرند. انرژی حاصل از انحلال فلزی محلل انرژی بالا است، در حالیکه به فلز کم انرژی تبدیل می شود و یا از یون های فلزی با انرژی بالا تهیه می شود، در حالی که یون ها با انرژی کمتری در محلول قرار می گیرند. مقدار انرژی الکتریکی تولید شده توسط یک سلول گالوانیک تقریبا برابر با تفاوت استاندارد آزاد انرژی واکنش دهنده ها و محصولات است.

پیل گالوانیزه ۳

زنگ زدگی گالوانیزه

زنگ زدگی گالوانیزه فرایندی است که الکتروشیمیایی فلزات را پست می کند. این زنگ زدگی زمانی اتفاق می افتد که دو فلز متفاوت در تماس با یکدیگر در حضور الکترولیت، مانند آب نمک، باشند. تشکیل یک سلول گالوانیکی با تشکیل H2 در فلز نجیب تر است. پتانسیل الکتروشیمیایی پس از آن، یک جریان الکتریکی را تشکیل می دهد که مواد مضر کمتری از آن را الکترولیتی می کند. اگر یک فلز مشابه با دو غلظت الکترولیت متفاوت باشد، یک پیل با غلظت تشکیل می شود.