Nguyên lý làm việc của pin điện hóa năm 2024
|
Năng lượng không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy, nhưng nó có thể được tiết kiệm dưới nhiều hình thức khác nhau. Một cách để lưu trữ nó là ở dạng năng lượng hóa học trong pin. Khi được kết nối trong mạch, pin có thể tạo ra điện. Pin chuyển đổi Năng lượng Hóa học thành Năng lượng Điện Pin có hai đầu – cực dương (cực âm) và cực âm (cực dương). Nếu bạn kết nối hai thiết bị đầu cuối bằng dây, một mạch được hình thành. Các electron sẽ chạy qua dây dẫn và một dòng điện được tạo ra. Bên trong pin, một phản ứng giữa các chất hóa học sẽ diễn ra. Nhưng phản ứng chỉ diễn ra khi có dòng electron. Pin có thể được lưu trữ trong một thời gian dài và vẫn hoạt động vì quá trình hóa học không bắt đầu cho đến khi các electron chuyển từ cực âm sang cực dương thông qua một mạch. Phản ứng hóa học xảy ra trong pin Một ví dụ đơn giản – Pin chanh Hãy bắt đầu với một cục pin rất đơn giản sử dụng một quả chanh có gắn hai vật kim loại khác nhau vào đó, ví dụ như một chiếc đinh mạ kẽm và một đồng xu hoặc dây đồng. Đồng đóng vai trò là điện cực dương hoặc cực âm và đinh mạ kẽm (tráng kẽm) làm điện cực âm hoặc cực dương tạo ra electron. Hai vật này đóng vai trò là điện cực, gây ra phản ứng điện hóa tạo ra hiệu điện thế nhỏ. Vì nguyên tử đồng (Cu) hút electron nhiều hơn nguyên tử kẽm (Zn) nên nếu đặt một miếng đồng và một miếng kẽm tiếp xúc với nhau, các electron sẽ truyền từ kẽm sang đồng. Khi các electron tập trung vào đồng, chúng sẽ đẩy nhau và ngăn dòng electron từ kẽm sang đồng. Mặt khác, nếu bạn đặt các dải kẽm và đồng vào một dung dịch dẫn điện, và nối chúng bên ngoài bằng một sợi dây, các phản ứng giữa các điện cực và dung dịch sẽ cho phép các electron chạy liên tục qua dây. PIN LEMON Pin chanh hoạt động như thế nào? Pin chanh được làm bằng một quả chanh và hai điện cực kim loại bằng các kim loại khác nhau như đồng xu hoặc dây điện và đinh mạ kẽm (tráng kẽm). Năng lượng cho pin không đến từ chanh mà là sự thay đổi hóa học trong kẽm (hoặc kim loại khác). Kẽm bị oxy hóa bên trong quả chanh, trao đổi một số electron của nó để đạt đến trạng thái năng lượng thấp hơn, và năng lượng được giải phóng cung cấp năng lượng. Chanh chỉ đơn thuần cung cấp một môi trường để điều này có thể xảy ra, nhưng chúng không được sử dụng hết trong quá trình này. Giả sử rằng các điện cực kẽm và đồng được sử dụng (chẳng hạn như đồng xu bằng đồng và đinh mạ kẽm) thì một quả chanh có thể tạo ra khoảng 0,9 Vôn. Ở bên trái một mạch nối tiếp hình quả chanh được tạo ra 3,41 vôn. LƯU Ý: Có thể sử dụng khoai tây, táo, dưa cải bắp hoặc bất kỳ loại trái cây hoặc rau quả nào khác có chứa axit hoặc chất điện phân khác, nhưng chanh được ưu tiên hơn vì tính axit cao hơn. Ví dụ, trong khoai tây, chất điện phân là axit photphoric, trong khi ở chanh là axit xitric. Trong pin chanh, cả quá trình oxi hóa (mất electron) và khử (nhận electron) đều xảy ra. Loại pin này tương tự như “tế bào điện áp đơn giản” ban đầu do Alessandro Volta phát minh (xem bên dưới). Ở cực dương, kẽm kim loại bị oxi hóa và đi vào dung dịch axit dưới dạng các ion Zn2 +: Zn -> Zn2 + + 2 e- Ở cực âm đồng, các ion hydro (proton bị hòa tan từ dung dịch axit trong chanh) bị khử để tạo thành hydro phân tử: 2H ++ 2e- -> H2 Điều gì làm cho các electron chuyển động? Khi bạn buông một quả bóng mà bạn đang cầm nó rơi xuống đất vì trọng trường của Trái đất kéo quả bóng xuống. Theo cách tương tự, các hạt mang điện như electron cần phải làm việc để di chuyển chúng từ điểm này sang điểm khác. Lượng công trên một đơn vị điện tích gọi là hiệu điện thế giữa hai điểm. Các đơn vị khác biệt tiềm năng được gọi là volt. Hiệu điện thế giữa cực âm và cực dương được thiết lập từ phản ứng hóa học. Bên trong pin, các electron bị đẩy bởi phản ứng hóa học về phía cực dương tạo ra sự chênh lệch điện thế. Chính sự khác biệt về điện thế này đã dẫn động các electron đi qua dây dẫn. Sự khác biệt tiềm tàng có thể là tích cực hoặc tiêu cực, được ví như năng lượng hấp dẫn, di chuyển lên đồi hoặc xuống đồi. Trong pin, dòng electron đi xuống … các electron có thể chuyển động lên dốc như trong trường hợp bộ sạc pin. Tại sao các êlectron chỉ chuyển động từ cực dương sang cực âm bên trong pin? Chất điện phân trong pin giữ cho các electron đơn độc không đi thẳng từ cực dương sang cực âm trong pin. Khi các đầu cực được nối với một dây dẫn điện, các điện tử có thể dễ dàng đi từ anốt sang catốt. Các êlectron chuyển động theo chiều nào trong dây? Các electron mang điện tích âm, vì vậy chúng sẽ bị hút vào đầu dương của pin và bị đẩy bởi đầu âm. Khi pin được nối với một thiết bị cho phép các electron chạy qua nó, chúng sẽ chảy từ cực âm (cực dương) sang cực dương (cực âm). Ai là người phát minh ra tế bào điện hóa (pin)? PIN ĐẦU TIÊN CỦA VOLTA Pin do Volta sản xuất được coi là tế bào điện hóa đầu tiên. Nó bao gồm hai điện cực: một làm bằng kẽm, một bằng đồng. Chất điện phân là axit sunfuric hoặc hỗn hợp nước muối và nước. Chất điện li tồn tại ở dạng 2H + và SO42-. Kẽm, cao hơn cả đồng và hydro trong dãy điện hóa, phản ứng với sunfat mang điện tích âm SO42-. Các ion hydro tích điện dương (proton) bắt các electron từ đồng, tạo thành bọt khí hydro, H2. Điều này làm cho thanh kẽm trở thành điện cực âm và thanh đồng trở thành điện cực dương. Bây giờ chúng ta có hai thiết bị đầu cuối và dòng điện sẽ chạy nếu chúng ta kết nối chúng. Các phản ứng trong ô này như sau: kẽm Zn -> Zn2 + + 2e- axit sunfuric 2H + + 2e- -> H2 Đồng không phản ứng, hoạt động như một điện cực cho phản ứng hóa học. Pin hiện đại (pin kẽm-carbon) hoạt động như thế nào? Kẽm bị oxi hóa theo nửa phương trình sau. Zn (s) -> Zn2 + (aq) + 2 e- [e ° = -1,04 vôn] Mangan đioxit được trộn với bột cacbon để tăng độ dẫn điện. Phản ứng xảy ra như sau: 2MnO2 (s) + 2 e- + 2NH4Cl (aq) -> Mn2O3 (s) + 2NH3 (aq) + H2O (aq) + 2 Cl- [e ° ˜ +.5 v] và CL kết hợp với Zn2 +. Trong nửa phản ứng này, mangan bị khử từ trạng thái oxy hóa (+4) thành (+3). Có thể có các phản ứng phụ khác, nhưng phản ứng tổng thể trong tế bào kẽm-cacbon có thể được biểu diễn như sau: Zn (s) + 2MnO2 (s) + 2NH4Cl (aq) —> Mn2O3 (s) + Zn (NH3) 2Cl2 (aq) + H2O (l) Pin có emf khoảng 1,5 V. Các loại pin khác nhau là gì? Các loại pin khác nhau sử dụng các loại hóa chất và phản ứng hóa học khác nhau. Một số loại pin phổ biến hơn là: Pin kiềm Được sử dụng trong Duracell® và Energizer® và các loại pin kiềm khác. Các điện cực là kẽm và mangan-oxit. Chất điện phân là một dung dịch kiềm. Ắc quy Chúng được sử dụng trong ô tô. Các điện cực được làm bằng chì và chì oxit với một axit mạnh làm chất điện phân. Pin Lithium Những loại pin này được sử dụng trong máy ảnh cho bóng đèn flash. Chúng được làm bằng lithium, lithium-iodide và chì-iodide. Chúng có thể cung cấp dòng điện tăng vọt cho đèn flash. Pin Lithium Những loại pin này được sử dụng trong máy ảnh cho bóng đèn flash. Chúng được làm bằng lithium, lithium-iodide và chì-iodide. Chúng có thể cung cấp dòng điện tăng vọt cho đèn flash. Pin Lithium-ion Những loại pin này được tìm thấy trong máy tính xách tay, điện thoại di động và các thiết bị di động có công dụng cao khác. Pin niken-cadmium hoặc NiCad Các điện cực là niken-hydroxit và cadimi. Chất điện phân là kali-hydroxit. Pin kẽm-carbon hoặc pin carbon tiêu chuẩn –Kẽm và cacbon được sử dụng trong tất cả các loại pin AA, C và D thông thường hoặc tiêu chuẩn. Các điện cực được làm bằng kẽm và cacbon, với một lớp vật liệu có tính axit giữa chúng đóng vai trò như chất điện phân. |
