इलेक्ट्रोरासायनिक कोशिकाएं (गैवानिक और इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाएं)

इलेक्ट्रोरसायन, रसायन विज्ञान का एक महत्वपूर्ण क्षेत्र है जो विद्युत ऊर्जा और रासायनिक अभिक्रियाओं, विशेष रूप से ऑक्सीकरण-अपचयन प्रतिक्रियाओं के बीच संबंध से संबंधित है। इलेक्ट्रोरसायन के केंद्र में इलेक्ट्रोरासायनिक कोशिकाएं होती हैं, जो या तो रासायनिक प्रतिक्रियाओं से विद्युत ऊर्जा उत्पन्न कर सकती हैं या विद्युत ऊर्जा का उपयोग गैर-स्वतः प्रतिक्रियाओं को चलाने के लिए कर सकती हैं।

इलेक्ट्रोरासायनिक कोशिकाएं क्या होती हैं?

इलेक्ट्रोरासायनिक कोशिकाएं ऐसे उपकरण हैं जो रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में या इसके विपरीत परिवर्तित कर सकती हैं। इलेक्ट्रोरासायनिक कोशिकाओं के दो मुख्य प्रकार होते हैं:

• गैवानिक कोशिका (या वोल्टायक कोशिका)
• इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिका

गैवानिक कोशिकाएं

गैवानिक कोशिका को स्वतः और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह तब बिजली उत्पन्न करती है जब एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया होती है।

गैवानिक कोशिका की संरचना

एक बुनियादी गैवानिक कोशिका दो विभिन्न धातुओं से बनी होती है जो उनके संबंधित आयनिक समाधानों में डूबी होती हैं और एक तार द्वारा जुड़ी होती है, जिससे इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है। एक अतिरिक्त घटक, नमक पुल, आयनों के हस्तांतरण की अनुमति देकर और चार्ज संतुलन बनाकर परिपथ को पूरा करता है।

        Zn | Zn 2+ (aq) || Cu2+ (aq) cube
    

इस विशिष्ट व्यवस्था में, जिंक ऑक्सीकरण होता है, इलेक्ट्रॉन खोता है, जबकि कॉपर अपचय होता है, इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है।

गैवानिक कोशिका कैसे काम करती है?

गैवानिक कोशिका में रासायनिक प्रतिक्रियाएं निम्न प्रकार से होती हैं:

• ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया (ऐनोड): यह वह जगह है जहां जिंक धातु (Zn) इलेक्ट्रॉन खोकर जिंक आयन बन जाती है (Zn → Zn2+ + 2e-)।
• अपचय प्रतिक्रिया (कैथोड): समाधान में मौजूद कॉपर आयन इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं और कॉपर धातु बनाते हैं (Cu2+ + 2e- → Cu)।

जिंक से कॉपर इलेक्ट्रोड तक बाहरी तार के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करता है।

इलेक्ट्रोड क्षमता

दो अर्ध-कोशिकाओं के बीच संभावित अंतर परिपथ में इलेक्ट्रॉनों की गति को संचालित करता है। प्रत्येक धातु में एक मानक इलेक्ट्रोड क्षमता होती है, जो 1 एम सांद्रता, 25°C तापमान और 1 atm दबाव की मानक स्थितियों में गणना की जाती है।

वोल्टेज को मापकर, हम निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके कोशिका क्षमता (EMF) निर्धारित कर सकते हैं:

        E cell = E cathode - E anode
    

इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिका

गैवानिक कोशिकाओं के विपरीत, इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाएं गैर-स्वतः रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चलाने के लिए विद्युत ऊर्जा का उपयोग करती हैं। उन्हें प्रतिक्रियाओं को शुरू करने और बनाए रखने के लिए एक बाहरी शक्ति स्रोत, जैसे बैटरी या पावर आपूर्ति की आवश्यकता होती है।

इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिका की संरचना

एक इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिका इलेक्ट्रोलाइट समाधान में डूबी दो इलेक्ट्रोड से बनी होती है। एक पावर स्रोत इलेक्ट्रोड से जुड़ा होता है ताकि प्रतिक्रिया आगे बढ़ सके।

        { पावर स्रोत } - ऐनोड (ऑक्सीकरण) | इलेक्ट्रोलाइट | कैथोड (अपचय)
    

इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिका कैसे काम करती है?

मुख्य प्रक्रिया विद्युत अपघटन है:

• ऐनोड पर ऑक्सीकरण: इलेक्ट्रोलाइट में उपस्थित आयन इलेक्ट्रॉन खोते हैं और ऐनोड की ओर बढ़ते हैं। उदाहरण के लिए, पिघले हुए सोडियम क्लोराइड के विद्युत अपघटन में, क्लोराइड आयन क्लोरीन गैस में ऑक्सीकरण होते हैं (2Cl- - 2e- → Cl2)।
• कैथोड पर अपचय: कैथोड की ओर बढ़ने वाले आयन इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं। उसी उदाहरण में, सोडियम आयन इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं और सोडियम धातु बनाते हैं (Na+ + e- → Na)।

इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं के अनुप्रयोग

इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं का औद्योगिक अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जिसमें शामिल हैं:

• विद्युत धातु चढ़ाना
• विद्युत परिष्करण
• रसायनों का उत्पादन जैसे कि क्लोरीन और सोडियम हाइड्रॉक्साइड

गैवानिक और इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं की तुलना

हालांकि दोनों प्रकार की कोशिकाएं ऑक्सीकरण और अपचय प्रतिक्रियाओं को शामिल करती हैं, उनके बीच स्पष्ट अंतर हैं:

पहलू	गैवानिक कोशिका	इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिका
ऊर्जा रूपांतरण	रासायनिक से विद्युत	विद्युत से रासायनिक
स्वतंत्रता	स्वतः प्रतिक्रिया	गैर-स्वतः प्रतिक्रिया
बाहरी शक्ति	आवश्यक नहीं	आवश्यक

गैवानिक कोशिका का दृश्य उदाहरण (सरलीकृत)

कोशिका क्षमता के लिए उदाहरण गणना

मानक वोल्टेज की गणना करने के लिए, आइए जिंक और कॉपर की बनी एक कोशिका पर विचार करें:

• E cathode = +0.34 V
• E anode = -0.76 V

कोशिका क्षमता समीकरण के आधार पर:

        E cell = E cathode - E anode = 0.34 V - (-0.76 V) = 1.10 V
    

यह सकारात्मक कोशिका क्षमता स्वतः प्रतिक्रिया को सूचित करती है, जो कि गैवानिक कोशिका के लिए सामान्य है।

इलेक्ट्रोरासायनिक कोशिकाओं पर समापन टिप्पणी

इलेक्ट्रोरासायनिक कोशिकाएं रसायन विज्ञान और दैनिक जीवन में एक मौलिक भूमिका निभाती हैं। गैवानिक कोशिकाएं अनगिनत उपकरणों में पाई जाने वाली बैटरियों के लिए आवश्यक हैं, जबकि इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाएं औद्योगिक प्रक्रियाओं और रासायनिक यौगिकों के निर्माण में महत्वपूर्ण होती हैं। उनके सिद्धांतों को समझना यह समझने का आधार प्रदान करता है कि कैसे रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा रूपांतरण प्राप्त होता है।

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