갈바닉 또는 볼타 세포는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 화학적 세포입니다. 그것은 세포 내에서 발생하는 산화 환원 반응에 의해 생성 된 에너지를 활용하여이를 달성합니다. 이 작업을 자세히 이해하려면 먼저 산화 환원 반응이 무엇인지 이해해야합니다.
산화 환원 반응은 무엇입니까?
"Redox"라는 단어는 "환원 산화"에 짧습니다. 결합적인 문구는 전자 교환과 동시에 발생하는 두 가지 화학 반응을 나타냅니다. 전자를 잃는 반응물은 산화 된 반면, 이들 동일한 전자를 얻는 반응물은 감소 된 것으로 알려져있다. 하나는 다른 하나를 일으키고 반응의 인과 적 특성은“Red-Ox”반응에 그 이름을 부여합니다.
.다음은 산화 환원 반응을 보여주는 간단한 실험입니다.
Beaker에는 아연 스트립이 담긴 구리 설페이트 (CUSO4) 용액이 포함되어 있습니다. 구리는 아연보다 더 전기 음성이므로 전자를 유치하고 음의 구리 이온을 형성하는 경향이 더 큽니다. 스트립이 용액에 담그 자마자 구리 이온 (Cu2+)은 아연의 전자를 압류하여 구리 원자 (Cu)를 형성하는데, 이는 스트립에 갈색 층으로 증착되는 반면, 현재 전자를 박탈당한 아연 원자 (Zn)는 아연 이온 (Zn2+)이되어 용액으로 용해됩니다. 반응이 끝나면 스트립이 무거워지고 용액은 아연으로 가득 차 있습니다.
금속 사이의 빠른 반응에서, 전자가 전자를 얻을 때 구리가 감소하는 반면, 아연은 전자를 잃을 때 산화됩니다 (오일 리그를 기억하십시오). 전기는 전자의 흐름 일뿐입니다. 반응에서 교환 된 전자는 전구에 전원을 공급하는 데 사용될 수 있지만, 전자가 부주의하게 분산되기 때문에 비이커에서는 달성 할 수 없습니다. 그것들을 활용하려면, 우리는 구리에 의해 압수되기 전에 전구의 모든 전자를 라우팅해야합니다. 이것은 하나가 아니라 두 개의 비이커로 달성 할 수 있습니다.
Galvanic Cell Diagram
이제 갈바닉 세포를 나타내는이 장치를 고려하십시오.
첫 번째 비이커는 아연 스트립이 담긴 설페이트 (ZnSO4)를 함유하고, 인접한 비이커는 구리 스트립이 담긴 구리 황산염 (CUSO4)을 함유한다. 그러나 두 스트립은 전구에 연결된 외부 회로, 도체로 연결됩니다.
이 세포는 발명가 인 물리학 자 루이지 갈바니 (Luigi Galvani)의 이름을 따서 "갈바닉 (Galvanic)"이라고합니다. 1780 년에 갈바니는 두 개의 다른 금속이 한쪽 끝에서 서로 연결되면 다른 쪽 끝은 개구리의 다리에 의해 연결되어 다리가 수축되어 전기의 흐름을 나타냅니다. 그는 터무니없는 장치를“동물 회로”라고 불렀습니다. 그러나 Galvani에 도전하기 위해 Alessandro Volta는 단일 생물학적 구성 요소없이 동일한 세포를 개발했습니다. 이것은 놀라운 업적이었고, 이런 이유로“갈바닉”과“볼타”는 동의어로 사용됩니다.
회로가 효과가 있었지만 발명가는 왜 에 대해 부정확했습니다. 그들은 일했습니다. Galvani는 개구리가 책임을 졌다고 믿었지만 Volta는 그것이 고립 된 금속의 특성이라고 믿었습니다. 전기 에너지가 화학 반응에서 유래되었으며 전압 공급원이 순전히 화학 물질이라는 것을 깨닫는 것은 마침내 파라데이였습니다. 전기 및 전자 전문 용어를 형성하는 용어를 만들어 낸 것은 파라데이였습니다. , 그들이 담그는 솔루션은 전해질이라고 불렀습니다. 그리고 관련된 단체는 그가 이온이라고 불렀다 - 양이온 및 음이온 .
아연 및 구리 전극이 각각의 황산염 전해질에 담그 자마자 산화 환원 반응이 시작됩니다. 구리가 아연의 전자를 유혹하기 시작합니다. 단일 비이커 실험에서 발생한 것처럼, 첫 번째 비이커의 아연 원자는 산화되어 전자를 잃어 아연이 이온이되어 아연 황산염 용액에 용해됩니다. 인접한 비이커의 구리 이온은 이들 전자를 얻고 구리 원자가되어 스트립에 침착함에 따라 감소합니다.
그러나, 2 개의 비이커는 물리적으로 분리되지만, 전극은 외부 도체에 의해 연결된다. 분산이 아니라 전자는이 도체를 통해 구리 전극으로 라우팅됩니다. 그러나이 도체에 자리 잡은 전구이기 때문에 구리 스트립에 도달하기 전에 전자는 전구를 통과하는 것 외에는 선택의 여지가 없습니다. 아연 전극은 전자를 공급하기 때문에 배터리의 양극 또는 음성 단자이며 전자를 유치하거나 수신하는 구리 전극은 배터리의 음극 또는 양성 단자입니다. 하나의 금속은 다른 금속 (또는 비금속)으로부터 전자를 훔치기 위해 결합되기 때문에 전기 음성은 회로의 전류 방향을 결정합니다.
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(사진 크레딧 :Wikimedia Commons)
그러나 라벨은 표준 협약을 준수합니다. 배터리의 양극 인 아연 스트립 (아연 스트립)은 산화로 인해 전자를 박탈 당하기 때문에 독자를 혼란스럽게 할 수 있습니다. 배터리의 캐소드 인 구리 스트립은 감소로 인해 전자가 풍부하기 때문에 실제로 음성이기 때문입니다. 아연은 양의 전극 입니다 그러나 음성 터미널, 구리는 음의 전극이지만 입니다 그러나 긍정적 인 터미널 . 이 차이는 중요합니다.
소금 다리는 무엇입니까?
전자가 도체와 전구를 통해 흐르도록 성공적으로 만들어 지더라도 회로가 여전히 불완전하기 때문에 전구가 빛나지 않습니다. 회로를 완성하는 것은 다리의 튜브가 다리가 두 비이커에 담그는 것입니다. 이것을 소금 다리라고합니다. 소금 다리는 전자가 이동할 수없는 소금으로 구성된 다공성 물질이지만 양이온과 음이온은 할 수 있습니다. 전자의 흐름을 금지함으로써 자동으로 프로세스에 참여하거나 방해하는 것을 제외합니다. 유일한 목적은 이온을 교환하고 회로를 완성하는 것입니다.
아연이 아연 양이온으로서 용액에 산화되어 용해 될 때, 아연 양이온은 다리를 가로 지르고 인접한 비이커로 들어갑니다. 그곳에서 구리 양이온을 대체함으로써 설페이트 아연을 형성하며, 황산염 음이온과 혼합되어 환원되기 전에 구리 황산염 용액을 형성 하였다. 유사하게, 구리 양이온이 구리 원자를 형성하여 감소하면, 남은 황산염 음이온은 다리를 가로 지르고 첫 번째 비이커로 들어갑니다. 그곳에서 산화 된 아연 양이온과 결합하여 황산 아연을 형성합니다. 교환은 반응의 균형을 유지하거나 회로가 완료되도록합니다. 다공성 소금 다리로 연결된 갈바니 셀 또는 2 개의 비이커의 표현은 이것으로 더 줄일 수 있습니다.
환원 및 산화 반응이 2 개의 상이한 비이커에서 물리적으로 분리되면서, 각 비이커 또는 단위를 반 셀이라고한다. 전자 흐름의 단일 방향으로 인해 전압의 특성은 DC입니다. 이 DC 전압의 크기는 두 절반 셀에서 전압의 산술 차이입니다. 차이는 두 전극의 전해질로의 용해의 용이성을 상대적으로 측정합니다. 따라서 전압은 전극 및 의 특성의 함수입니다. 전해질. 전압이 순전히 화학 물질이라는 것을 기억하십시오.
오늘날 배터리는 단일 갈바니 셀을 보관하지 않지만 쌍 또는 2 개는 직렬로 제공됩니다. 12V 배터리는 일반적으로 6 개의 갈바니 셀로 구성됩니다. 음이온 전체가 전해질에 용해 될 때 배터리는 "죽어", 양이온 전체가 전극에 증착된다. 모든 배터리가 아연, 구리 및 황산염을 전극 및 전해질로 사용하는 것은 아닙니다. 필요한 것은 전극의 전기 음성의 차이입니다.
대부분의 배터리는 실제로 각각 양극 및 음극으로 납 및 납을 기반으로합니다. 소금 다리조차도 반드시 금속과 동일한 소금으로 구성 될 필요는 없습니다. 반응의 균형을 맞추기 위해 필요한 수의 양이온과 음이온을 제공하면됩니다. 이 예에서, 칼륨으로 구성된 경우, 단일 양이온의 아연 양이온을 위해 두 개의 칼륨 양이온을 기증 할 것입니다.
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Galvanic Cell vs 전해 세포
마지막으로, 일단 죽었을 때, 갈바닉 세포는 부활하거나 재충전 될 수 없습니다. 그렇기 때문에 알람 시계 또는 원격 제어에서 배터리를 때때로 변경해야합니다. 재충전 될 수있는 전기 화학적 세포의 종류는 전해 세포이다. 전해 세포는 또한 전극이 담긴 전해질로 채워진 2 개의 비이커로 구성되지만 갈바니 셀이하는 일의 완전한 역전을 달성합니다. 전기 에너지를 화학 에너지로 변환합니다.
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전극은 외부 회로를 통해 전기 소스에 연결됩니다. 그러나이 소스에 의해 생성 된 전위는 산화 환원 반응에 의해 생성 된 전위보다 큽니다. 또한 소스는 맞은 편 에 설치됩니다. 방향. 따라서, 더 큰 잠재력의 결과로, 그것은 들어오는 전자의 힘을 극복하고 방향을 역전시킵니다. 그런 다음 전자는 구리 스트립에서 아연 스트립으로 흐르면서 구리가 산화되고 아연이 감소됩니다. 이러한 방식으로, 산화 환원 반응으로부터 전류를 생성하는 갈바닉 세포와는 달리, 전해 세포는 전류를 사용하여 산화 환원 반응을 유도한다. 나중에 배터리는 전구로 교체하여 셀 갈바닉을 만들고 완전히 충전됩니다.
