CELULA USCATĂ: STRUCTURĂ ȘI FUNCȚIE - CHIMIE - 2025

O celulă uscată este o baterie al cărei mediu electrolitic constă dintr-o pastă și nu o soluție. Această pastă are totuși un anumit nivel de umiditate și din aceste motive nu este strict uscată.

Cantitatea mică de apă este suficientă pentru ca ionii să se miște și, în consecință, fluxul de electroni în interiorul celulei.

Sursa: Emilian Robert Vicol via Flickr.

Avantajul său enorm față de primele baterii umede este că, deoarece este o pastă electrolitică, conținutul său nu poate fi vărsat; ceea ce a fost cazul bateriilor umede, care erau mai periculoase și mai delicate decât omologii lor uscați. Având în vedere imposibilitatea deversării, celula uscată își găsește utilizarea în multe dispozitive portabile și mobile.

În imaginea superioară se află o baterie uscată de zinc-carbon. Mai exact, este o versiune modernă a stivei Georges Leclanché. Dintre toate, este cea mai comună și poate cea mai simplă.

Aceste dispozitive reprezintă o comoditate energetică datorită faptului că au în buzunar energie chimică care poate fi transformată în energie electrică; și în acest fel, nu depinde de prize sau de energia furnizată de centralele mari de energie și de rețeaua lor vastă de turnuri și cabluri.

Structura celulelor uscate

Care este structura unei celule uscate? În imagine puteți vedea capacul său, care nu este altceva decât o peliculă polimerică, oțel și cele două terminale ale căror șaiburi izolante ies din față.

Cu toate acestea, acesta este doar aspectul său extern; În interior se află părțile sale cele mai importante, care garantează funcționarea corectă a acestuia.

Fiecare celulă uscată va avea propriile sale caracteristici, dar va fi luată în considerare numai celula zinc-carbon, dintre care o structură generală poate fi conturată pentru toate celelalte baterii.

O baterie este înțeleasă ca uniunea a două sau mai multe baterii, iar acestea din urmă sunt celule voltaice, așa cum se va explica într-o secțiune viitoare.

electrozi

Sursa: Wikipedia

Imaginea superioară arată structura internă a unei baterii zinc-carbon. Indiferent care este celula voltaică, ar trebui să existe întotdeauna (de obicei) doi electrozi: unul de la care electronii sunt eliberați și unul de la care îi primește.

Electrozii sunt materiale conductoare electric și, pentru a exista curent, ambele trebuie să aibă electronegativități diferite.

De exemplu, zincul, staniu alb care închide bateria, este locul în care electronii pleacă spre circuitul electric (dispozitivul) unde este conectat.

Pe de altă parte, în întregul mediu se află electrodul de carbon grafic; De asemenea , cufundat într - o pastă compusă din NH ₄ Cl, ZnCI ₂ și MnO ₂ .

Acest electrod este cel care primește electronii și rețineți că are simbolul „+”, ceea ce înseamnă că este terminalul pozitiv al bateriei.

Terminale

După cum se vede deasupra tijei de grafit din imagine, există borna electrică pozitivă; iar dedesubt, zincul interior poate provoca din care curg electronii, terminalul negativ.

Acesta este motivul pentru care bateriile sunt marcate cu „+” sau „-” pentru a indica modul corect de conectare a acestora la dispozitiv și, astfel, îi permit să pornească.

Nisip și ceară

Deși nu este arătată, pasta este protejată de un nisip tampon și de o garnitură de ceară care îl împiedică să se vărseze sau să intre în contact cu oțelul, sub impacturi sau agitații mecanice minore.

Funcționarea

Cum funcționează o celulă uscată? Pentru început, este o celulă voltaică, adică generează energie electrică din reacții chimice. Prin urmare, în interiorul celulelor apar reacții redox, unde specia câștigă sau pierde electroni.

Electrozii servesc ca o suprafață care facilitează și permite dezvoltarea acestor reacții. În funcție de încărcăturile lor, se poate produce oxidarea sau reducerea speciilor.

Pentru a înțelege mai bine acest lucru, vor fi explicate doar aspectele chimice ale bateriei zinc-carbon.

Oxidarea electrodului de zinc

Imediat ce dispozitivul electronic este pornit, bateria va elibera electroni prin oxidarea electrodului de zinc. Aceasta poate fi reprezentată de următoarea ecuație chimică:

Zn => Zn ²⁺ + 2e ^-

Dacă există o mulțime de Zn ^{2+ în} jurul metalului, va exista o prejudecată de încărcare pozitivă, astfel încât nu va mai exista oxidare. Prin urmare, Zn ²⁺ trebuie să difuzeze prin pasta spre catod, unde electronii vor intra înapoi.

Odată ce electronii au activat artefactul, ei revin la celălalt electrod: cel grafit, pentru a găsi unele specii chimice care „îl așteaptă”.

Reducerea clorurii de amoniu

Așa cum am menționat anterior, în pastă există NH ₄ Cl și MnO ₂ , substanțe care îi fac pH-ul acid. Imediat ce electronii intră, vor avea loc următoarele reacții:

2NH ₄ ⁺ + 2e ^- => 2NH ₃ + H ₂

Cele doua produse, amoniac și hidrogen molecular, NH ₃ și H ₂ , sunt gaze, și , prin urmare , se poate „umfla“ bateria dacă nu suferă alte transformări; cum ar fi următoarele două:

Zn ²⁺ + 4NH ₃ => ²⁺

H ₂ + 2MnO ₂ => 2MnO (OH)

Rețineți că amoniacul a fost redus (electroni) acumulate pentru a deveni NH ₃ . Aceste gaze au fost apoi neutralizate de celelalte componente ale pastei.

Complexul ²⁺ facilitează difuzarea ionilor Zn ²⁺ către catod și împiedică astfel celula să se „blocheze”.

Circuitul extern al dispozitivului funcționează ca o punte pentru electroni; altfel nu ar exista niciodată o legătură directă între cutia de zinc și electrodul de grafit. În imaginea structurii, acest circuit ar reprezenta cablul negru.

Descarca

Celulele uscate au mai multe variante, dimensiuni și tensiuni de lucru. Unele dintre ele nu sunt reîncărcabile (celule voltaice primare), în timp ce altele sunt (celule voltaice secundare).

Bateria zinc-carbon are o tensiune de lucru de 1.5V. Formele lor se schimbă în funcție de electrozii și compoziția electroliților lor.

Va veni un punct în care tot electrolitul a reacționat și, indiferent cât de mult oxidează zincul, nu vor exista specii care să primească electronii și să promoveze eliberarea lor.

Mai mult, poate fi cazul în care gazele formate nu mai sunt neutralizate și rămân exercitând presiune în interiorul celulelor.

Bateriile cu zinc-carbon și alte baterii care nu sunt reîncărcabile trebuie să fie reciclate; deoarece componentele sale, în special componentele nichel-cadmiu, sunt dăunătoare mediului înconjurător prin soluri și ape poluante.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck și Stanley. (2008). Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Învățare.
3. Bateria "cu celule uscate". Recuperat din: makahiki.kcc.hawaii.edu
4. Hoffman S. (10 decembrie 2014). Ce este o baterie cu celule uscate? Recuperat de la: upsbatterycenter.com
5. Weed, Geoffrey. (24 aprilie 2017). Cum funcționează bateriile cu celule uscate? Sciencing. Recuperat de la: știința.com
6. Woodford, Chris. (2016) Baterii. Recuperat de la: explaninthatstuff.com.