Цахилгаан химийн элемент нь химийн урвалаас цахилгаан энерги үүсгэдэг эсвэл цахилгаан энергийг нэвтрүүлэх замаар химийн урвалыг хөнгөвчлөх төхөөрөмж юм. Цахилгаан химийн эсийн үндсэн хоёр төрөл байдаг: гальваник (эсвэл вольт) эсүүд ба электролитийн эсүүд .
Гальваник эсэд аяндаа явагддаг химийн урвал нь цахилгаан энерги үүсгэдэг. Энэ төрлийн эсүүд нь электрод гэж нэрлэгддэг хоёр өөр металлаар хийгдсэн бөгөөд тэдгээрийн хооронд ионууд шилжих боломжийг олгодог электролитийн уусмалаар холбогдсон байдаг. Галваник эсийн нийтлэг жишээ бол нимбэгний нэг хэсэг цайр, нэг хэсэг зэсийг нимбэгний зайнд оруулдаг нимбэгний зай юм. Нимбэгэнд агуулагдах нимбэгийн хүчил нь электролитийн үүрэг гүйцэтгэдэг.
Гальваник эсийн химийн урвал нь исэлдүүлэх, багасгах үйл явцыг хамардаг. Исэлдүүлдэг (электрон алддаг) металыг анод гэж нэрлэдэг бол багасгадаг (электрон олж авдаг) металыг катод гэж нэрлэдэг. Ерөнхий урвалыг тэгшитгэлээр илэрхийлж болно.
\( \textrm{анод дахь исэлдэлтийн урвал} + \textrm{катод дахь бууруулах урвал} = \textrm{цэвэр эсийн урвал} \)Гальваник эсүүдээс ялгаатай нь электролитийн эсүүд химийн урвалыг эхлүүлэхийн тулд гадны цахилгаан эх үүсвэр шаарддаг. Эдгээр эсүүд нь цахилгаанаар бүрэх, усны электролиз зэрэг процессуудад ашиглагддаг. Электролитийн элементийн хувьд анод нь исэлдэлт явагддаг электрод, харин катод нь гальваник элементтэй адил бууралт болдог. Гэсэн хэдий ч гол ялгаа нь цахилгаан гүйдлийн урсгалын чиглэл юм.
Электролитийн эсийг харуулсан энгийн туршилт бол усны электролиз юм. Электролит (давс гэх мэт) холилдсон усанд гадны гүйдэл хэрэглэснээр усны молекулууд устөрөгч ба хүчилтөрөгчийн хий болж задардаг.
\( 2H_2O(l) \rightarrow 2H_2(g) + O_2(g) \)Энэхүү урвал нь электролизийн үндсэн үйл явцыг харуулсан бөгөөд цахилгааныг аяндаа бус химийн урвал явуулахад ашигладаг.
Цахилгаан химийн эсийн үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь:
Стандарт электродын потенциалыг (E°) стандарт нөхцөлд (298 К, 1М концентраци, 1 атм даралт) хэмжиж, исэлдэлтийн урвалын чиглэлийг таамагладаг. E°-ийн утга өндөр байх тусам тухайн зүйлийн электрон олж авах, бууралтад орох хандлага нэмэгддэг. Элементийн стандарт электродын потенциалыг дараахь томъёогоор тооцоолно.
\( E^\textrm{эс}_{\textrm{Стандарт}} = E^\textrm{катод}_{\textrm{Стандарт}} - E^\textrm{анод}_{\textrm{Стандарт}} \)Энэ тэгшитгэл нь бүхэл эсийн электродын потенциалыг тодорхойлоход тусалдаг бөгөөд энэ нь түүний цахилгаан хүчийг бий болгох чадварыг харуулдаг.
Нернстийн тэгшитгэл нь стандарт бус нөхцөлд цахилгаан химийн элементийн электродын потенциалыг тооцоолох аргыг өгдөг. Энэ нь янз бүрийн температурт ионы концентрацийг харгалзан үздэг. Тэгшитгэлийг өгөгдсөн:
\( E = E^\textrm{°} - \frac{RT}{nF} \ln Q \)Энд \(E\) нь стандарт бус нөхцөлд электродын потенциал, \(E^\textrm{°}\) нь стандарт электродын потенциал, \(R\) нь бүх нийтийн хийн тогтмол (8.314 Ж/(моль·К) юм. )), \(T\) нь Кельвин дэх температур, \(n\) нь урвалд шилжсэн электроны молийн тоо, \(F\) нь Фарадей тогтмол (96485 С/моль), \(Q\) нь урвалд орох бодис ба бүтээгдэхүүний концентрацийн хэмжүүр болох урвалын коэффициент юм.
Стандарт нөхцөлд ажилладаг боловч өөр өөр концентрацид ажилладаг гальваник эсийн хувьд Нернстийн тэгшитгэл нь эсийн потенциал концентрациас хамаарч хэрхэн өөрчлөгдөж байгааг тооцоолох боломжийг олгодог. Жишээлбэл, цайр-зэс гальваник эсэд \(Zn^{2+}\) эсвэл \(Cu^{2+}\) ионы концентрацийг өөрчилснөөр эсийн потенциал Нернстийн тэгшитгэлийн дагуу өөрчлөгдөнө.
Цахилгаан химийн эсүүд нь өргөн хүрээний хэрэглээтэй бөгөөд үүнд:
Электрохимийн эсүүд нь хими, физикийн практик болон онолын аль алинд нь үндэс суурь болдог. Химийн болон цахилгаан энергийг харилцан хувиргах чадвараараа тэд бидний өдөр тутмын амьдрал болон үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд олон үүрэг гүйцэтгэдэг. Редокс урвал, эсийн потенциал, концентраци ба температурын эсийн гүйцэтгэлд үзүүлэх нөлөө зэрэг цахилгаан химийн эсийн үндсэн зарчмуудыг ойлгох нь бидэнд янз бүрийн зорилгоор тэдгээрийн чадавхийг ашиглах, оновчтой болгох боломжийг олгодог. Зөөврийн электроникийг эрчим хүчээр хангахаас эхлээд томоохон хэмжээний үйлдвэрлэлийн процессыг хөнгөвчлөх хүртэл цахилгаан химийн эсийн хэрэглээ нь технологийн дэвшил, амьдралын чанарыг сайжруулахад чухал ач холбогдолтой болохыг онцолж байна.
Цахилгаан химийн эсийн судалгаа нь цахилгаан химийн илүү өргөн хүрээг хамарсан гайхалтай ойлголтыг санал болгож, химийн урвалын цахилгаан үзэгдлүүд болон эсрэгээр нь үзүүлэх гүн гүнзгий нөлөөллийг харуулсан болно. Энэ чиглэлийн судалгаа үргэлжилж байгаа тул цахилгаан химийн зарчмуудыг хөшүүрэг болгож, тогтвортой эрчим хүчний шийдэл, шинэ технологид хувь нэмрээ оруулах цаашдын инноваци, хэрэглээг олж харах болно.
Эцэст нь хэлэхэд, бид цахилгаан эрчим хүчний зөөврийн эх үүсвэрээр хангадаг гальван эсүүд эсвэл химийн чухал үйл явцыг хөнгөвчлөх электролитийн эсийн тухай ярьж байна уу, цахилгаан химийн эсийн зарчим, хэрэглээ нь орчин үеийн шинжлэх ухаан, технологийн салшгүй хэсэг юм. Үргэлжилсэн дэвшил, судалгааг хийснээр энэ салбарт шинэ нээлт, хэрэглээний боломж асар их хэвээр байгаа бөгөөд ирээдүйд сэтгэл хөдөлгөм бүтээн байгуулалтыг амлаж байна.
