या ब्लॉग पोस्टमध्ये, रासायनिक पेशी वीज कशी निर्माण करतात आणि धातूची आयनीकरण प्रवृत्ती ॲनोड आणि कॅथोड कसे ठरवते यामागील तत्त्व आम्ही सोप्या भाषेत समजावून सांगणार आहोत.
रासायनिक घट (केमिकल सेल) हे एक असे उपकरण आहे जे रासायनिक अभिक्रियांद्वारे वीज निर्माण करते; आपण आपल्या दैनंदिन जीवनात वापरत असलेल्या बॅटरी हा एक प्रकारचा रासायनिक घट आहे. बॅटरीचे त्यांच्या आकार आणि स्वरूपानुसार विविध प्रकार आहेत आणि घरगुती, औद्योगिक आणि वैद्यकीय उपयोगांसह अनेक क्षेत्रांमध्ये त्यांचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. या बॅटरीमध्ये विशिष्ट रसायने असतात जी विद्युत प्रवाह निर्माण करतात. रासायनिक बॅटरी वीज पुरवण्यासाठी विविध पदार्थ आणि इलेक्ट्रोलाइट्स वापरतात आणि हे घटक बॅटरीच्या कार्यक्षमतेवर आणि आयुष्यमानावर लक्षणीय परिणाम करतात. बॅटरी वापरताना, धन (पॉझिटिव्ह) आणि ऋण (निगेटिव्ह) टोके योग्यरित्या जोडलेली असणे आवश्यक आहे. याचा थेट संबंध बॅटरीच्या कार्यक्षमतेशी आणि सुरक्षिततेशी आहे; जर चुकीच्या पद्धतीने जोडले, तर बॅटरी योग्यरित्या कार्य करू शकत नाही किंवा खराबही होऊ शकते. याचे कारण असे की, रासायनिक बॅटरीमध्ये, ज्या बाजूला क्षपण (रिडक्शन) होते—म्हणजे इलेक्ट्रॉन मिळवले जातात—ते धन टोक (पॉझिटिव्ह टर्मिनल) असते, तर ज्या बाजूला ऑक्सिडीकरण (ऑक्सिडेशन) होते—म्हणजे इलेक्ट्रॉन गमावले जातात—ते ऋण टोक (निगेटिव्ह टर्मिनल) असते आणि इलेक्ट्रॉन ऋण टोकाकडून धन टोकाकडे जातात.
रासायनिक बॅटरीचा ॲनोड आणि कॅथोड हे इलेक्ट्रोड बनवणाऱ्या धातूंच्या आयनीकरण प्रवृत्तीनुसार ठरवले जातात. आयनीकरण प्रवृत्ती म्हणजे द्रावणामध्ये धातू किती सहजतेने इलेक्ट्रॉन गमावून कॅटायन बनतो, ही होय. हा एक महत्त्वाचा घटक आहे जो बॅटरीची कार्यक्षमता ठरवतो आणि तिच्या कार्यक्षमतेवर व आयुर्मानावर मोठा परिणाम करतो. त्यामुळे, उच्च आयनीकरण प्रवृत्ती असलेले धातू, विजेचे चांगले वहन करणाऱ्या इलेक्ट्रोलाइट द्रावणात सहजपणे विरघळतात आणि कॅटायन तयार करतात. जर इलेक्ट्रोड म्हणून काम करण्यासाठी तांबे आणि जस्त यांच्या प्लेट्स सौम्य सल्फ्यूरिक ॲसिडच्या (H₂SO₄) द्रावणात ठेवल्या, तर एक रासायनिक सेल तयार होतो. तांब्यापेक्षा जस्ताची आयनीकरण प्रवृत्ती जास्त असल्यामुळे, जस्ताच्या प्लेटच्या पृष्ठभागावरील जस्ताचे अणू कॅटायन बनतात आणि जस्ताच्या अणूंमधून मुक्त झालेले इलेक्ट्रॉन तारेमधून तांब्याच्या प्लेटकडे जातात. विद्युत प्रवाह इलेक्ट्रॉनच्या विरुद्ध दिशेने वाहत असल्यामुळे, तांब्याची प्लेट ॲनोड बनते आणि जस्ताची प्लेट कॅथोड बनते. जर जस्तच्या प्लेटऐवजी चांदीची प्लेट वापरली, सल्फ्यूरिक आम्लाच्या द्रावणाऐवजी सोडियम क्लोराईडचे द्रावण वापरले आणि तांब्याच्या व चांदीच्या प्लेट्स एका तारेने जोडल्या, तर तांब्याची प्लेट कॅथोड आणि चांदीची प्लेट ॲनोड बनते. याचे कारण असे की, तांब्याची आयनीकरण होण्याची प्रवृत्ती चांदीपेक्षा जास्त असते. अशाप्रकारे, रासायनिक घटामध्ये, ॲनोड आणि कॅथोड हे त्या दोन धातूंच्या आयनीकरण होण्याच्या सापेक्ष प्रवृत्तीनुसार ठरतात.
रासायनिक पेशी (केमिकल सेल्स) केवळ ऊर्जा साठवण्याचे साधन नाहीत; तर त्यांना अक्षय ऊर्जेचा कार्यक्षम वापर आणि भविष्यातील ऊर्जा समस्यांचे निराकरण करण्याची गुरुकिल्ली देखील मानले जाते. उदाहरणार्थ, सौर किंवा पवन ऊर्जेसारख्या अक्षय ऊर्जा स्रोतांपासून निर्माण झालेली वीज साठवण्यासाठी मोठ्या प्रमाणातील रासायनिक पेशींचा वापर केला जाऊ शकतो. आपण आपल्या दैनंदिन जीवनात वापरत असलेल्या लहान ड्राय-सेल बॅटरींच्या विपरीत, या पेशींमध्ये मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा साठवण्याची आणि पुरवण्याची क्षमता असते.
धातूंच्या आयनीकरण प्रवृत्तीची तुलना अभिक्रियेच्या उष्णतेच्या परिमाणावरून करता येते. हे समजून घेण्यासाठी, धातूमधून एक अणू बाहेर पडून जलयुक्त आयन (hydrated ion) बनण्याची प्रक्रिया माहित असणे आवश्यक आहे. सामान्यतः, धातू अनेक बंधित धातू अणूंनी बनलेली स्फटिक रचना तयार करतात. धातू प्रामुख्याने इलेक्ट्रॉन गमावून कॅटायन (cations) बनतात, परंतु एक स्वतंत्र आयन बनण्यासाठी स्फटिकामधून एक धातू अणू बाहेर पडणे आवश्यक असते. उदाहरणार्थ, इलेक्ट्रोलाइट द्रावणात बुडवलेल्या जस्त धातूमध्ये (Zn), एक अणू वेगळा होतो आणि हा जस्त अणू दोन इलेक्ट्रॉन गमावून जस्त आयन (Zn²⁺) बनतो. या अभिक्रियेसाठी ऊर्जेची आवश्यकता असल्याने, जस्त धातू या प्रक्रियेदरम्यान उष्णता शोषून घेतो. अशा प्रकारे उष्णता शोषून घेणाऱ्या रासायनिक अभिक्रियेला उष्णताशोषक (endothermic) अभिक्रिया म्हणतात. त्यानंतर जस्त आयन इलेक्ट्रोलाइट द्रावणामध्ये जलयुक्त होतो. या अभिक्रियेत उष्णता बाहेर पडते; अशा अभिक्रियेला उष्णताक्षेपक (exothermic) अभिक्रिया म्हणतात.
धातूंच्या आयनीकरण प्रवृत्तीच्या बाबतीत, स्थिर तापमानावर रासायनिक अभिक्रिया घडत असताना शोषल्या गेलेल्या किंवा बाहेर टाकल्या गेलेल्या उष्णतेच्या प्रमाणावरून अभिक्रियेची उष्णता निश्चित केली जाते. म्हणून, अभिक्रियेच्या उष्णतेच्या आधारावर आयनीकरण प्रवृत्तींची तुलना करताना, उष्णशोषक अभिक्रियांमधून मिळणारी उष्णता आणि उष्णक्षेपक अभिक्रियांमधून मिळणारी उष्णता यांची बेरीज करून मूल्यांची तुलना केली जाते.
अभिक्रिया एन्थाल्पी चिन्हांनी दर्शविली जाते; सामान्यतः, उष्णतादायी अभिक्रियेदरम्यान उत्सर्जित होणारी उष्णता धन मूल्याने, तर उष्णताशोषक अभिक्रियेदरम्यान शोषली जाणारी उष्णता ऋण मूल्याने दर्शविली जाते. अभिक्रिया एन्थाल्पीचे मूल्य वाढल्याने आयनीकरण प्रवृत्तीची पातळी वाढत असल्यामुळे, हे दिसून येते की आयनीकरण प्रवृत्तीची पातळी ही उष्णतादायी अभिक्रियांमध्ये उत्सर्जित होणाऱ्या उष्णतेच्या प्रमाणाशी आणि उष्णताशोषक अभिक्रियांमध्ये शोषल्या जाणाऱ्या उष्णतेच्या प्रमाणाशी संबंधित आहे. त्यांच्या आयनीकरण प्रवृत्तीनुसार क्रमवारी लावलेल्या धातूंच्या मूलद्रव्यांच्या यादीला आयनीकरण श्रेणी म्हणतात. आयनीकरण श्रेणीचे परीक्षण करून, रासायनिक सेलमध्ये कोणते धातू ॲनोड म्हणून आणि कोणते कॅथोड म्हणून काम करतील हे ठरवणे सोपे होते. सेलच्या अभिकल्प आणि निर्मितीमध्ये हा एक महत्त्वाचा निकष ठरतो, आणि आयनीकरण श्रेणीवर आधारित धातूंची निवड सेलच्या कार्यक्षमतेवर आणि परिणामकारकतेवर लक्षणीय परिणाम करते.
