سلول گالوانی چیست؟

سلول گالوانی

سلول گالوانی (یا سلول الکتروشیمیایی) دستگاهی است که انرژی شیمیایی یک واکنش اکسیداسیون‑کاهش را به صورت انرژی الکتریکی مفید تبدیل می‌کند.

اجزای اصلی

• دو الکترود (آند و کاتد) که هر کدام در محلول الکترولیت مخصوص خود غوطه‌ورند.
• الکترولیت (محلول یا ژل حاوی یون‌ها) که امکان انتقال یون‌ها بین الکترودها را فراهم می‌کند.
• پل الکترونی یا غشاء شبه‌پروانی که اجازه عبور یون‌ها ولی نه الکترون‌ها را می‌دهد.
• یک مدار خارجی که الکترون‌ها را از آند به کاتد هدایت می‌کند.

نحوه کار

1. در آند واکنش اکسیداسیون رخ می‌دهد و الکترون‌ها آزاد می‌شوند (مثلاً $\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+}+2e^-}$).
2. الکترون‌ها از طریق سیم به کاتد می‌روند؛ در کاتد واکنش کاهشی صورت می‌گیرد (مثلاً $\mathrm{Cu^{2+}+2e^- \rightarrow Cu}$).
3. برای حفظ تعادل بار، یون‌های مثبت از الکترولیت آند به سمت پل می‌روند و یون‌های منفی از پل به سمت الکترولیت کاتد حرکت می‌کنند.
4. تفاوت پتانسیل استاندارد الکترودها ($E^\circ$) باعث ایجاد نیروی محرکه الکتریکی ($\mathcal{E}$) می‌شود که در مدار خارجی به صورت ولتاژ مشهود است.

نمادگذاری سلول

نماد استاندارد سلول به صورت زیر نوشته می‌شود:

خط عمودی یک لایه فاز (مثلاً سطح الکترولیت) و دو خط عمودی (||) نشانگر پل الکترونی یا غشاء هستند.

محاسبهٔ پتانسیل سلول

پتانسیل سلول برابر است با اختلاف پتانسیل الکترود کاتد و آند:

برای سلول Zn–Cu: $E^\circ_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}}=+0.34\ \text{V}$ و $E^\circ_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}}=-0.76\ \text{V}$، پس $\mathcal{E}=1.10\ \text{V}$.

جمع‌بندی

• سلول گالوانی انرژی شیمیایی را به الکتریکی تبدیل می‌کند.
• آند: مکان اکسیداسیون، الکترون‌ها آزاد می‌شوند؛ کاتد: مکان کاهشی، الکترون‌ها مصرف می‌شوند.
• پتانسیل سلول از اختلاف پتانسیل استاندارد الکترودها به دست می‌آید.
• نمادگذاری سلول با خطوط عمودی و دو خط عمودی برای پل الکترونی انجام می‌شود.

تیپ سوال

تیپ سوال: محاسبهٔ $\mathcal{E}_{cell}$ از داده‌های $E^\circ$ یا نوشتن نماد سلول بر پایهٔ واکنش داده شده.

دام رایج: فراموش کردن علامت منفی برای الکترود آند.

راه تستی سریع: همیشه $E^\circ_{\text{کاتد}}$ را منهای $E^\circ_{\text{آند}}$ بگیرید؛ اگر عدد منفی شد، جهت جریان را برعکس کنید.