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Electrochemistry

Battery

Any battery (actually it may have one or more than one cell connected in series) or cell that we use as a source of electrical energy is basically a galvanic cell where the chemical energy of the redox reaction is converted into electrical energy.
However, for a battery to be of practical use it should be reasonably light, compact and its voltage should not vary appreciably during its use.
There are mainly two types of batteries.
- Primary Batteries
- Secondary Batteries

कोई भी बैटरी (वास्तव में इसमें श्रृंखला में एक या एक से अधिक सेल जुड़े हो सकते हैं) या सेल जिसे हम विद्युत ऊर्जा के स्रोत के रूप में उपयोग करते हैं, मूल रूप से एक गैल्वेनिक सेल है जहां रेडॉक्स प्रतिक्रिया की रासायनिक ऊर्जा होती है विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित।
हालाँकि, एक बैटरी के व्यावहारिक उपयोग के लिए यह उचित रूप से हल्की, कॉम्पैक्ट होनी चाहिए और इसके उपयोग के दौरान इसके वोल्टेज में बहुत अधिक अंतर नहीं होना चाहिए।
बैटरियां मुख्यतः दो प्रकार की होती हैं।
- प्राथमिक बैटरियाँ
- माध्यमिक बैटरियां

Electrochemistry

Primary Batteries

In the primary batteries, the reaction occurs only once and after use over a period of time battery becomes dead and cannot be reused again.
Generally lower capacity
Longer shelf life
The most familiar example of this type is the dry cell (known as Leclanche cell after its discoverer) which is used commonly in our transistors and clocks.
Other examples are Alkaline, Lithium, Zinc-carbon batteries.

प्राथमिक बैटरियों में, प्रतिक्रिया केवल एक बार होती है और कुछ समय तक उपयोग करने के बाद बैटरी ख़राब हो जाती है और दोबारा उपयोग नहीं की जा सकती।
आम तौर पर कम क्षमता
लंबी शेल्फ लाइफ
इस प्रकार का सबसे परिचित उदाहरण शुष्क सेल (इसके आविष्कारक के नाम पर लेक्लांश सेल के रूप में जाना जाता है) है जो आमतौर पर हमारे ट्रांजिस्टर और घड़ियों में उपयोग किया जाता है।
अन्य उदाहरण क्षारीय, लिथियम, जिंक-कार्बन बैटरी हैं।

Battery

Electrochemistry

Structure of Primary Batteries

The cell consists of a zinc container that also acts as anode and the cathode is a carbon (graphite) rod surrounded by powdered manganese dioxide and carbon .
The space between the electrodes is filled by a moist paste of ammonium chloride $\left(\mathrm{NH}_4 \mathrm{Cl}\right)$ and zinc chloride $\left(\mathrm{ZnCl}_2\right)$
The cell has a potential of nearly $1.5 \mathrm{V}$ .

कोशिका में एक जिंक कंटेनर होता है जो एनोड के रूप में भी कार्य करता है और कैथोड एक कार्बन (ग्रेफाइट) रॉड है जो पाउडर मैंगनीज डाइऑक्साइड और कार्बन से घिरा होता है।
इलेक्ट्रोड के बीच का स्थान अमोनियम क्लोराइड के नम पेस्ट से भरा होता है $\left(\mathrm{NH}_4 \mathrm{Cl}\right)$ और जिंक क्लोराइड $\left(\mathrm{ZnCl}_2\right)$
सेल की क्षमता लगभग $1.5 \mathrm{V}$ है।

Electrochemistry

Cell reaction of Primary cell

The electrode reactions are complex, but they can be written approximately as follows :

$\scriptsize{ \begin{array}{ll} \text { Anode: } & \mathrm{Zn}(\mathrm{s}) \longrightarrow \mathrm{Zn}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-} \\ \text {Cathode: } & \mathrm{MnO}_2+\mathrm{NH}_4^{+}+\mathrm{e}^{-} \longrightarrow \mathrm{MnO}(\mathrm{OH})+\mathrm{NH}_3 \end{array} }$

In the reaction at cathode, manganese is reduced from the +4 oxidation state to the +3 state.
Ammonia produced in the reaction forms a complex with $\mathrm{Zn}^{2+}$ to give $\left[\mathrm{Zn}\left(\mathrm{NH}_3\right)_1\right]^{2+}$ .

इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाएं जटिल हैं, लेकिन उन्हें लगभग इस प्रकार लिखा जा सकता है:

$\scriptsize{ \begin{array}{ll} \text { Anode: } & \mathrm{Zn}(\mathrm{s}) \longrightarrow \mathrm{Zn}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-} \\ \text {Cathode: } & \mathrm{MnO}_2+\mathrm{NH}_4^{+}+\mathrm{e}^{-} \longrightarrow \mathrm{MnO}(\mathrm{OH})+\mathrm{NH}_3 \end{array} }$

कैथोड पर प्रतिक्रिया में, मैंगनीज +4 ऑक्सीकरण अवस्था से +3 अवस्था में कम हो जाता है।
प्रतिक्रिया में उत्पन्न अमोनिया के साथ एक कॉम्प्लेक्स बनता है $\mathrm{Zn}^{2+}$ to give $\left[\mathrm{Zn}\left(\mathrm{NH}_3\right)_1\right]^{2+}$ .

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Mercury cell

Mercury cell, suitable for low current devices like hearing aids, watches, etc. consists of zinc – mercury amalgam as anode and a paste of HgO and carbon as the cathode.
The electrolyte is a paste of KOH and ZnO.

श्रवण यंत्र, घड़ियां आदि जैसे कम वर्तमान उपकरणों के लिए उपयुक्त पारा सेल में एनोड के रूप में जस्ता-पारा मिश्रण और कैथोड के रूप में एचजीओ और कार्बन का पेस्ट होता है।
इलेक्ट्रोलाइट KOH और ZnO का पेस्ट है।

Electrochemistry

Cell reaction of Mercury cell

The electrode reactions for the cell are given below:

$\scriptsize{ \begin{array}{ll} \text { Anode: } & \mathrm{Zn}(\mathrm{Hg})+2 \mathrm{OH}^{-} \longrightarrow \mathrm{ZnO}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}+2 \mathrm{e}^{-} \\ \text {Cathode: } & \mathrm{HgO}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}+2 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow \mathrm{Hg}(\mathrm{l})+2 \mathrm{OH}^{-} \end{array} }$

The overall reaction is represented by

$\scriptsize{ \mathrm{Zn}(\mathrm{Hg})+\mathrm{HgO}(\mathrm{s}) \longrightarrow \mathrm{ZnO}(\mathrm{s})+\mathrm{Hg}(\mathrm{l}) }$

The cell potential is approximately 1.35 V and remains constant during its life as the overall reaction does not involve any ion in solution whose concentration can change during its life time.

सेल के लिए इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाएं नीचे दी गई हैं:

$\scriptsize{ \begin{array}{ll} \text { Anode: } & \mathrm{Zn}(\mathrm{Hg})+2 \mathrm{OH}^{-} \longrightarrow \mathrm{ZnO}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}+2 \mathrm{e}^{-} \\ \text {Cathode: } & \mathrm{HgO}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}+2 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow \mathrm{Hg}(\mathrm{l})+2 \mathrm{OH}^{-} \end{array} }$

समग्र प्रतिक्रिया का प्रतिनिधित्व किया जाता है

$\scriptsize{ \mathrm{Zn}(\mathrm{Hg})+\mathrm{HgO}(\mathrm{s}) \longrightarrow \mathrm{ZnO}(\mathrm{s})+\mathrm{Hg}(\mathrm{l}) }$

सेल क्षमता लगभग 1.35 V है और अपने जीवन के दौरान स्थिर रहती है क्योंकि समग्र प्रतिक्रिया में समाधान में कोई भी आयन शामिल नहीं होता है जिसकी एकाग्रता उसके जीवन काल के दौरान बदल सकती है।

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Secondary Battery

Rechargeable batteries
Generally higher capacity
Shorter shelf life
Lithium-ion, Nickel-metal hydride batteries

रिचार्जेबल बैटरीज़
आम तौर पर उच्च क्षमता
कम शैल्फ जीवन
लिथियम-आयन, निकेल-मेटल हाइड्राइड बैटरी

Rechargable_battery

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Secondary battery

A secondary cell after use can be recharged by passing current through it in the opposite direction so that it can be used again. A good secondary cell can undergo a large number of discharging and charging cycles.
The most important secondary cell is the lead storage battery commonly used in automobiles and invertors.
It consists of a lead anode and a grid of lead packed with lead dioxide $\scriptsize{(PbO_2 )}$ as cathode. A 38% solution of sulphuric acid is used as an electrolyte.

किसी द्वितीयक सेल को उपयोग के बाद उसमें विपरीत दिशा में करंट प्रवाहित करके रिचार्ज किया जा सकता है ताकि उसका दोबारा उपयोग किया जा सके। एक अच्छा द्वितीयक सेल बड़ी संख्या में डिस्चार्जिंग और चार्जिंग चक्रों से गुजर सकता है।
सबसे महत्वपूर्ण सेकेंडरी सेल लीड स्टोरेज बैटरी है जो आमतौर पर ऑटोमोबाइल और इनवर्टर में उपयोग की जाती है।
इसमें एक लेड एनोड और लेड का एक ग्रिड होता है जो कैथोड के रूप में लेड डाइऑक्साइड $\scriptsize{(PbO_2 )}$ से भरा होता है। सल्फ्यूरिक एसिड का 38% घोल इलेक्ट्रोलाइट के रूप में उपयोग किया जाता है।

Electrochemistry

Secondary battery

It consists of a lead anode and a grid of lead packed with lead dioxide $\scriptsize{(PbO_2 )}$ as cathode. A 38% solution of sulphuric acid is used as an electrolyte.

इसमें एक लेड एनोड और लेड का एक ग्रिड होता है जो कैथोड के रूप में लेड डाइऑक्साइड $\scriptsize{(PbO_2 )}$ से भरा होता है। सल्फ्यूरिक एसिड का 38% घोल इलेक्ट्रोलाइट के रूप में उपयोग किया जाता है।

Secondary battery

Electrochemistry

Cell reaction of Secondary Battery

The cell reactions when the battery is in use are given below:

Anode: $\scriptsize{\quad \mathrm{Pb}(\mathrm{s})+\mathrm{SO}_4{ }^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{PbSO}_4(\mathrm{s})+2 \mathrm{e}^{-}}$

Cathode: $\scriptsize{\mathrm{PbO}_2(\mathrm{s})+\mathrm{SO}_4{ }^{2-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{PbSO}_4(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})}$

जब बैटरी उपयोग में हो तो सेल की प्रतिक्रियाएँ नीचे दी गई हैं:

एनोड: $\scriptsize{\quad \mathrm{Pb}(\mathrm{s})+\mathrm{SO}_4{ }^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{PbSO}_4(\mathrm{s})+2 \mathrm{e}^{-}}$

कैथोड: $\scriptsize{\mathrm{PbO}_2(\mathrm{s})+\mathrm{SO}_4{ }^{2-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{PbSO}_4(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})}$

Electrochemistry

Cell reaction of Secondary Battery

i.e., overall cell reaction consisting of cathode and anode reactions is:

$\scriptsize{ \mathrm{Pb}(\mathrm{s})+\mathrm{PbO}_2(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{PbSO}_4(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) }$

On charging the battery the reaction is reversed and $\scriptsize{\mathrm{PbSO}_4(\mathrm{s})}$ on anode and cathode is converted into $\scriptsize{\mathrm{Pb}}$ and $\scriptsize{\mathrm{PbO} _2}$ , respectively.

यानी, कैथोड और एनोड प्रतिक्रियाओं से युक्त समग्र सेल प्रतिक्रिया है:

$\scriptsize{ \mathrm{Pb}(\mathrm{s})+\mathrm{PbO}_2(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{PbSO}_4(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) }$

बैटरी को चार्ज करने पर प्रतिक्रिया विपरीत हो जाती है $\scriptsize{\mathrm{PbSO}_4(\mathrm{s})}$ को एनोड और कैथोड पर परिवर्तित किया जाता है $\scriptsize{\mathrm{Pb}}$ and $\scriptsize{\mathrm{PbO} _2}$ , क्रमशः।.

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Nickel-cadmium cell

Another important secondary cell is the nickel-cadmium cell which has longer life than the lead storage cell but more expensive to manufacture.
We shall not go into details of working of the cell and the electrode reactions during charging and discharging.
The overall reaction during discharge is:

$\mathrm{Cd}(\mathrm{s})+2 \mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_3(\mathrm{~s}) \rightarrow \mathrm{CdO}(\mathrm{s})+2$

$\mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_2(\mathrm{s})+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})$

एक अन्य महत्वपूर्ण द्वितीयक सेल निकेल-कैडमियम सेल है जिसका जीवन सीसा भंडारण सेल की तुलना में लंबा होता है लेकिन निर्माण करना अधिक महंगा होता है।
हम सेल के कामकाज और चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाओं के विवरण में नहीं जाएंगे।
डिस्चार्ज के दौरान समग्र प्रतिक्रिया है:

$\mathrm{Cd}(\mathrm{s})+2 \mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_3(\mathrm{~s}) \rightarrow \mathrm{CdO}(\mathrm{s})+2$

$\mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_2(\mathrm{s})+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})$

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Fuel cell

Production of electricity by thermal plants is not a very efficient method and is a major source of pollution.
We know that a galvanic cell directly converts chemical energy into electricity and is highly efficient.
Galvanic cells that are designed to convert the energy of combustion of fuels like hydrogen, methane, methanol, etc. directly into electrical energy are called fuel cells.
One of the most successful fuel cells uses the reaction of hydrogen with oxygen to form water.
The cell was used for providing electrical power in the Apollo space programme.

तापीय संयंत्रों द्वारा बिजली का उत्पादन बहुत कारगर तरीका नहीं है और प्रदूषण का एक प्रमुख स्रोत है।
हम जानते हैं कि एक गैल्वेनिक सेल सीधे रासायनिक ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करता है और अत्यधिक कुशल होता है।
गैल्वेनिक सेल जिन्हें हाइड्रोजन, मीथेन, मेथनॉल आदि जैसे ईंधन के दहन की ऊर्जा को सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, ईंधन सेल कहलाते हैं।
सबसे सफल ईंधन कोशिकाओं में से एक पानी बनाने के लिए ऑक्सीजन के साथ हाइड्रोजन की प्रतिक्रिया का उपयोग करती है।
अपोलो अंतरिक्ष कार्यक्रम में विद्युत शक्ति प्रदान करने के लिए सेल का उपयोग किया गया था।

Electrochemistry

Structure of fuel cell

The water vapours produced during the reaction were condensed and added to the drinking water supply for the astronauts.
In the cell, hydrogen and oxygen are bubbled through porous carbon electrodes into concentrated aqueous sodium hydroxide solution.
Catalysts like finely divided platinum or palladium metal are incorporated into the electrodes for increasing the rate of electrode reactions.

प्रतिक्रिया के दौरान उत्पन्न जल वाष्प को संघनित किया गया और अंतरिक्ष यात्रियों के लिए पीने के पानी की आपूर्ति में जोड़ा गया।
कोशिका में, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को छिद्रित कार्बन इलेक्ट्रोड के माध्यम से केंद्रित जलीय सोडियम हाइड्रॉक्साइड घोल में डाला जाता है।
इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाओं की दर बढ़ाने के लिए बारीक विभाजित प्लैटिनम या पैलेडियम धातु जैसे उत्प्रेरक को इलेक्ट्रोड में शामिल किया जाता है।

Fuel cell

Electrochemistry

Cell reaction of Fuel cell

The electrode reactions are given below:

Cathode: $\scriptsize{\mathrm{O}_2(\mathrm{g})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})+4 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow 4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})}$ Anode: $\scriptsize{\quad 2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \longrightarrow 4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})+4 \mathrm{e}^{-}}$

Overall reaction being:

$\scriptsize{ 2 \mathrm{H}_2(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \longrightarrow 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) }$

The cell runs continuously as long as the reactants are supplied. Fuel cells produce electricity with an efficiency of about 70 % compared to thermal plants whose efficiency is about 40%.

इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाएं नीचे दी गई हैं:

कैथोड: $\scriptsize{\mathrm{O}_2(\mathrm{g})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})+4 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow 4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})}$

एनोड: $\scriptsize{\quad 2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \longrightarrow 4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})+4 \mathrm{e}^{-}}$

समग्र प्रतिक्रिया इस प्रकार है:

$\scriptsize{ 2 \mathrm{H}_2(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \longrightarrow 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) }$

जब तक अभिकारकों की आपूर्ति होती है तब तक सेल निरंतर चलता रहता है। ईंधन सेल थर्मल प्लांटों की तुलना में लगभग 70% की दक्षता के साथ बिजली का उत्पादन करते हैं जिनकी दक्षता लगभग 40% है।

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Corrosion

Corrosion slowly coats the surfaces of metallic objects with oxides or other salts of the metal.
The rusting of iron, tarnishing of silver, development of green coating on copper and bronze are some of the examples of corrosion.
It causes enormous damage to buildings, bridges, ships and to all objects made of metals especially that of iron.
In corrosion, a metal is oxidised by loss of electrons to oxygen and formation of oxides.
Corrosion of iron (commonly known as rusting) occurs in presence of water and air.
The chemistry of corrosion is quite complex but it may be considered essentially as an electrochemical phenomenon.

संक्षारण धीरे-धीरे धातु की वस्तुओं की सतहों को ऑक्साइड या धातु के अन्य लवणों से ढक देता है।
लोहे में जंग लगना, चांदी का धूमिल होना, तांबे और कांसे पर हरे रंग की परत का विकसित होना संक्षारण के कुछ उदाहरण हैं।
यह इमारतों, पुलों, जहाजों और धातुओं विशेषकर लोहे से बनी सभी वस्तुओं को भारी नुकसान पहुंचाता है।
संक्षारण में, धातु ऑक्सीजन के कारण इलेक्ट्रॉनों के नष्ट होने और ऑक्साइड के बनने से ऑक्सीकृत हो जाती है।
लोहे का संक्षारण (जिसे आमतौर पर जंग लगना कहा जाता है) पानी और हवा की उपस्थिति में होता है।
संक्षारण का रसायन काफी जटिल है लेकिन इसे मूलतः एक विद्युत रासायनिक घटना माना जा सकता है।

Electrochemistry

Corrosion reaction

Anode: $\scriptsize{2 \mathrm{Fe}(\mathrm{s}) \longrightarrow 2 \mathrm{Fe}^{2+}+4 \mathrm{e}^{-} \quad E_{\left(\mathrm{Fe}^{2+} / \mathrm{Fe}\right)}^{\mathrm{o}}=-0.44 \mathrm{V}}$
Cathode: $\scriptsize{\mathrm{O}_2(\mathrm{~g})+4 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})}$
Overall reaction: $\scriptsize{2 \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\mathrm{O}_2(\mathrm{g})+4 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \longrightarrow 2 \mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})}$

एनोड: $\scriptsize{2 \mathrm{Fe}(\mathrm{s}) \longrightarrow 2 \mathrm{Fe}^{2+}+4 \mathrm{e}^{-} \quad E_{\left(\mathrm{Fe}^{2+} / \mathrm{Fe}\right)}^{\mathrm{o}}=-0.44 \mathrm{V}}$
कैथोड: $\scriptsize{\mathrm{O}_2(\mathrm{~g})+4 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})}$
समग्र प्रतिक्रिया: $\scriptsize{2 \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\mathrm{O}_2(\mathrm{g})+4 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \longrightarrow 2 \mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})}$

Electrochemistry

Corrosion reaction

The ferrous ions are further oxidised by atmospheric oxygen to ferric ions which come out as rust in the form of hydrated ferric oxide $\scriptsize{\left(\mathrm{Fe}_2 \mathrm{O}_3 \cdot x \mathrm{H}_2 \mathrm{O}\right)}$ and with further production of hydrogen ions.

फेरस आयनों को वायुमंडलीय ऑक्सीजन द्वारा फेरिक आयनों में ऑक्सीकृत किया जाता है जो हाइड्रेटेड फेरिक ऑक्साइड $\scriptsize{\left(\mathrm{Fe}_2 \mathrm{O}_3 \cdot x \mathrm{H}_2 \mathrm{O}\right)}$ के रूप में जंग के रूप में निकलते हैं और आगे हाइड्रोजन आयनों के उत्पादन के साथ निकलते हैं।