वैद्युतीय रासायनिक कोशिकाएं

वैद्युतीय रासायनिक कोशिकाएं विद्युत रसायन के क्षेत्र में मौलिक यंत्र हैं, जो रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में और इसके विपरीत परिवर्तित करने की अनुमति देती हैं। ये कोशिकाएं हमारे दैनिक जीवन के कई अनुप्रयोगों का केंद्र हैं, जिसमें बैटरियां, ईंधन कोशिकाएं और विभिन्न प्रकार के संवेदक शामिल हैं। यह विस्तृत विवरण एक वैद्युतीय रासायनिक कोशिका के आंतरिक कार्य, उनके प्रकार, घटक, और अनुप्रयोगों में गहराई से जाएगा, समझने में मदद करने के लिए पाठ्य और दृश्य उदाहरण दोनों प्रदान करेगा।

मूल अवधारणाएं

रासायनिक अभिक्रियाएं

वैद्युतीय रासायनिक कोशिकाओं के बारे में सीखने से पहले, यह समझना महत्वपूर्ण है कि उन्हें कार्य करने वाली रासायनिक अभिक्रियाएं क्या हैं। ऑक्सीकरण-अपचयन (रेडॉक्स) अभिक्रियाएं किसी भी वैद्युतीय रासायनिक कोशिका में होती हैं। इनमें एक रासायनिक प्रजाति से दूसरी में इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण शामिल होता है।

ऑक्सीकरण और अपचयन

ऑक्सीकरण वह प्रक्रिया है जिसमें एक पदार्थ इलेक्ट्रॉन खो देता है। दूसरी ओर, अपचयन में इलेक्ट्रॉनों का लाभ होता है। वह पदार्थ जो इलेक्ट्रॉनों को खो देता है, ऑक्सीकरण किया जाता है, जबकि वह एक जिसे इलेक्ट्रॉनों का प्राप्त होता है, अपचयित कहा जाता है। वह प्रजाति जो इलेक्ट्रॉनों का दान करती है, अपचायक के रूप में जानी जाती है, और वह जो इलेक्ट्रॉनों का स्वीकार करती है, ऑक्सीकारक एजेंट के रूप में जानी जाती है।

रेडॉक्स अभिक्रियाएं

एक वैद्युतीय रासायनिक कोशिका में, ये रेडॉक्स अभिक्रियाएं कोशिका के अलग-अलग क्षेत्रों में दो आधा-अभिक्रियाओं में विभाजित होती हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों को एक बाहरी परिपथ के माध्यम से प्रवाहित होती हैं, और विद्युत का उत्पादन करती है।

एक वैद्युतीय रासायनिक कोशिका के घटक

अब जब हम समझते हैं कि किस प्रकार की अभिक्रियाएं होती हैं, चलो एक वैद्युतीय रासायनिक कोशिका की संरचनात्मक संरचना में गहराई से देखें। एक वैद्युतीय रासायनिक कोशिका के दो मुख्य घटक होते हैं: एनोड और कैथोड।

एनोड

एनोड वह इलेक्ट्रोड है जहां ऑक्सीकरण होता है। रासायनिक प्रजातियों से इलेक्ट्रॉनों को एनोड पर मुक्त किया जाता है, और ये मुक्त किए गए इलेक्ट्रॉन एक बाहरी परिपथ के माध्यम से कैथोड तक यात्रा करते हैं।

अभिक्रिया: एनोड पर ऑक्सीकरण
,
Zn (s) rightarrow Zn^{2+} (aq) + 2e^{-}
,
    

कैथोड

कैथोड वह स्थान है जहां अपचयन होता है। बाहरी परिपथ से आने वाले इलेक्ट्रॉनों को कैथोड पर उपस्थित रासायनिक प्रजातियों द्वारा स्वीकार कर लिया जाता है।

अभिक्रिया: कैथोड पर अपचयन
,
Cu^{2+} (aq) + 2e^{-} rightarrow Cu (s)
,
    

नोट: एक वैद्युतीय रासायनिक कोशिका के लिए मानक संक्षिप्त संकेत Zn|Zn^{2+}||Cu^{2+}|Cu है, जहां एकल रेखाएं चरण सीमाओं का प्रतिनिधित्व करती हैं और दोहरी रेखा लवण पुल या दो आधा-कोशिकाओं के बीच जंक्शन का प्रतिनिधित्व करती है।

लवण पुल

लवण पुल एक वैद्युतीय रासायनिक कोशिका का महत्वपूर्ण घटक है। यह विद्युत परिपथ को पूरा करता है और आयन प्रवाह की अनुमति देता है, दो आधा-कोशिकाओं में समाधानों को मिलने से रोकता है, साथ ही विद्युत तटस्थता को बनाए रखने के लिए आयनिक गति की अनुमति प्रदान करता है।

वैद्युतीय रासायनिक कोशिकाओं के प्रकार

गैल्वैनिक (वोल्टाइक) कोशिकाएं

गैल्वैनिक कोशिका, जिसे वोल्टाइक कोशिका के रूप में भी जाना जाता है, एक ऐसी कोशिका है जो स्व-स्फूर्त रेडॉक्स अभिक्रियाओं के माध्यम से रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है। यह बैटरियों में उपयोग की जाने वाली कोशिका का एक प्रकार है जो कई अनुप्रयोगों के लिए बिजली प्रदान करती है।

उदाहरण: डेनियल कोशिका

गैल्वैनिक कोशिका का एक क्लासिक उदाहरण डेनियल कोशिका है।

डेनियल की कोशिका में:

• एनोड जिंक धातु से बना होता है, जो ऑक्सीकरण होता है और इलेक्ट्रॉनों को बाहरी परिपथ में छोड़ता है।
• कैथोड तांबा से बना होता है, और समाधान में उपस्थित तांबा आयन इन इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करते हैं और अपचयित होते हैं।
• जिंक आयन समाधान में प्रवेश करते हैं, और तांबा तांबा इलेक्ट्रोड पर निक्षेपित होता है।

विद्युतीय कोशिका

विद्युतीय कोशिकाएं विद्युत ऊर्जा का उपयोग करते हुए अनैच्छिक रासायनिक अभिक्रियाओं को संचालित करती हैं। ये कोशिकाएं विद्युत अपघटन जैसे प्रक्रियाओं में महत्वपूर्ण हैं, जहां यौगिकों को उनके मूल भागों में तोड़ने के लिए विद्युत धारा का उपयोग किया जाता है।

उदाहरण: जल का विद्युत अपघटन

एक विद्युतीय कोशिका में, जैसे कि जल के विद्युत अपघटन में:

जल के विद्युत अपघटन में:

• कैथोड विद्युत स्रोत से इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करती है, जिससे जल का अपचयन होता है और हाइड्रोजन गैस और हाइड्रॉक्साइड आयन बनते हैं।
• एनोड जल से इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करती है और इसे ऑक्सीकरण करती है, ऑक्सीजन गैस और हाइड्रोजन आयन उत्पन्न करती है।

अभिक्रियाएँ:
,
text{कैथोड: } 2H_2O + 2e^- rightarrow H_2 + 2OH^-
,
,
text{एनोड: } 2H_2O to O_2 + 4H^+ + 4e^-
,
    

वैद्युतीय रासायनिक कोशिकाओं के अनुप्रयोग

बैटरियां

बैटरियां वैद्युतीय रासायनिक कोशिकाओं का महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं। वे हमारे दैनिक जीवन में कई उपकरणों को शक्ति देती हैं, छोटे गेजेट जैसे स्मार्टफोन से लेकर बड़े अनुप्रयोग जैसे विद्युत वाहन तक।

ईंधन कोशिकाएं

ईंधन कोशिकाएं एक अन्य प्रकार की वैद्युतीय रासायनिक कोशिका हैं, जो हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को बिना दहन के मिश्रित कर बिजली उत्पन्न करती हैं। उनकी उच्च दक्षता और पर्यावरणीय रूप से मित्रवत उपउत्पाद: पानी, के लिए सराहना की जाती है।

जंग रोकथाम

वैद्युतीय रासायनिक कोशिकाएं धातुओं को जंग से बचाने के लिए भी उपयोग की जा सकती हैं, जो एक स्वाभाविक रेडॉक्स अभिक्रिया है जिसमें धातुएं वातावरण के संपर्क में आने पर खराब हो जाती हैं। कैथोडिक सुरक्षा जैसी तकनीकें इसको रोकने के लिए वैद्युतीय सिद्धांतों का उपयोग करती हैं।

वैद्युतीय रासायनिक कोशिकाओं की प्रकृति, कार्य, और अनुप्रयोगों पर यह व्यापक दृष्टिकोण उनके वैज्ञानिक और व्यावहारिक क्षेत्रों में व्यापकता और महत्व को उजागर करता है, और रासायनिक और विद्युत ऊर्जाओं के बीच निर्बाध रूपांतरण का प्रतिनिधित्व करता है जो आधुनिक दुनिया की शक्ति प्रदान करता है।

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