विद्युत ऊर्जा आधुनिक जीवन का एक महत्वपूर्ण आधार है। मोबाइल फोन, घड़ी, कंप्यूटर, वाहन, चिकित्सा उपकरण तथा अनेक इलेक्ट्रॉनिक यंत्रों में ऊर्जा उपलब्ध कराने के लिए विभिन्न प्रकार के सेल तथा बैटरियों का उपयोग किया जाता है।

विद्युत-रासायनिक सेल (Electrochemical Cell) वह प्रणाली है जिसमें रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में अथवा विद्युत ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है।

सेल (Cell) क्या है? (What is Cell?)

सेल वह उपकरण है जिसमें होने वाली ऑक्सीकरण–अपचयन (Redox) अभिक्रियाओं के कारण विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

सेल के मुख्य भाग

एनोड (Anode)
कैथोड (Cathode)
इलेक्ट्रोलाइट (Electrolyte)
बाह्य परिपथ (External Circuit)
लवण सेतु (Salt Bridge)

बैटरी (Battery) क्या है? (What is Battery?)

जब दो या दो से अधिक सेल को जोड़कर अधिक विद्युत ऊर्जा प्राप्त की जाती है, तब उस व्यवस्था को बैटरी कहते हैं।

उदाहरण

कार बैटरी
मोबाइल बैटरी
इन्वर्टर बैटरी

विद्युत-रासायनिक सेल के प्रकार (Types Of Electrochemical Cell)

1. गैल्वैनिक / वोल्टाइक सेल (Galvanic / Voltaic Cell)

इसमें: रासायनिक ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा

2. विद्युत अपघटनी सेल (Electrolytic Cell)

इसमें: विद्युत ऊर्जा → रासायनिक ऊर्जा

गैल्वैनिक सेल (Galvanic Cell)

यह ऐसा सेल है जिसमें स्वतः होने वाली रेडॉक्स अभिक्रिया के कारण विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

कार्य सिद्धांत

ऑक्सीकरण तथा अपचयन अभिक्रियाएँ अलग-अलग इलेक्ट्रोडों पर कराई जाती हैं जिससे इलेक्ट्रॉन बाह्य परिपथ से प्रवाहित होते हैं।

डेनियल सेल (Daniel Cell)

डेनियल सेल गैल्वैनिक सेल का एक मानक उदाहरण है।

संरचना (Structure)

इसमें निम्न भाग होते हैं—

जस्ता इलेक्ट्रोड (Zn)
ZnSO₄ विलयन
ताम्र इलेक्ट्रोड (Cu)
CuSO₄ विलयन
लवण सेतु
बाह्य चालक तार

Daniel Cell

डेनियल सेल की कार्यविधि (Working Principle)

जब दोनों इलेक्ट्रोड बाह्य परिपथ द्वारा जोड़े जाते हैं—

जस्ता इलेक्ट्रॉन त्यागता है।
इलेक्ट्रॉन तार द्वारा ताम्र इलेक्ट्रोड तक जाते हैं।
ताम्र आयन इलेक्ट्रॉन ग्रहण करते हैं।
परिणामस्वरूप विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

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डेनियल सेल में होने वाली अभिक्रियाएँ

एनोड (ऑक्सीकरण)

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻

कैथोड (अपचयन)

Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)

समग्र सेल अभिक्रिया (Complete Cell Reaction) :

Zn(s) + Cu²⁺(aq)

↓

Zn²⁺(aq) + Cu(s)

सेल अभिव्यक्ति (Cell Representation)

Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s)

संकेतों का अर्थ

इलेक्ट्रॉन एवं आयन प्रवाह

इलेक्ट्रॉन का प्रवाह

Zn → Cu

आयनों का प्रवाह

Salt Bridge → आवेश संतुलन

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लवण सेतु (Salt Bridge)

यह सामान्यतः KCl, KNO₃ अथवा NH₄NO₃ जैसे निष्क्रिय इलेक्ट्रोलाइट से बनाया जाता है।

लवण सेतु के कार्य (Functions of salt bridge)

विद्युत उदासीनता बनाए रखना
परिपथ को पूर्ण करना
विलयनों का मिश्रण रोकना
द्रव संधि विभव कम करना

सेल विभव (Cell Potential)

सेल द्वारा उत्पन्न अधिकतम विभवान्तर को सेल विभव कहते हैं।

सूत्र

E_cell = E_cathode − E_anode

मानक दशा में

E°_cell = E°_cathode − E°_anode

मानक इलेक्ट्रोड विभव

इलेक्ट्रोड	मानक विभव (V)
Zn²⁺/Zn	−0.76
Cu²⁺/Cu	+0.34

डेनियल सेल का मानक विभव

E°_cell

= 0.34 − (−0.76)

= +1.10 V

डेनियल सेल के अनुप्रयोग

विद्युत उत्पादन
इलेक्ट्रोड विभव मापन
प्रयोगशाला प्रयोग
रेडॉक्स अभिक्रिया अध्ययन
इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री शिक्षण

डेनियल सेल के लाभ

स्थिर विभव
सरल संरचना
विश्वसनीय कार्य

डेनियल सेल की सीमाएँ

पोर्टेबल नहीं
द्रव इलेक्ट्रोलाइट आवश्यक
लंबे समय तक उपयोग सीमित

प्राथमिक सेल (Primary Cells) — परिचय

विशेषताएँ

पुनः आवेशित नहीं किए जा सकते
अभिक्रिया लगभग अपरिवर्तनीय होती है

उदाहरण

Dry Cell
Mercury Cell

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द्वितीयक सेल (Secondary Cells) — परिचय

विशेषताएँ

पुनः आवेशित किए जा सकते हैं
बार-बार उपयोग संभव

उदाहरण

Lead Storage Battery
Lithium-ion Battery

(विस्तार अगले भाग में)

अभ्यास प्रश्न — डेनियल सेल

प्रश्न 1

डेनियल सेल क्या है?

उत्तर:
यह एक गैल्वैनिक सेल है जो स्वतः रेडॉक्स अभिक्रिया द्वारा विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करता है।

प्रश्न 2

एनोड पर कौन-सी अभिक्रिया होती है?

उत्तर:

Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

यह ऑक्सीकरण अभिक्रिया है।

प्रश्न 3

कैथोड पर कौन-सी अभिक्रिया होती है?

उत्तर:

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

यह अपचयन अभिक्रिया है।

प्रश्न 4

लवण सेतु का क्या कार्य है?

उत्तर:

आयनों का प्रवाह
आवेश संतुलन
परिपथ पूर्ण करना

प्रश्न 5

डेनियल सेल का मानक विभव कितना होता है?

उत्तर:
+1.10 V

त्वरित पुनरावृत्ति

Cell = सेल
Battery = अनेक सेल का संयोजन
Anode = ऑक्सीकरण
Cathode = अपचयन
Salt Bridge = आयन संतुलन
Daniel Cell = Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu

प्राथमिक तथा द्वितीयक सेल (Primary and Secondary Cells)

इस भाग में हम निम्न सेल एवं बैटरियों का अध्ययन करेंगे:

ड्राई सेल (Dry Cell)
मरकरी सेल (Mercury Cell)
लेड स्टोरेज बैटरी (Lead Storage Battery)
निकेल–कैडमियम बैटरी (Nickel–Cadmium Battery)
लिथियम-आयन बैटरी (Lithium-ion Battery)

(1) ड्राई सेल (Dry Cell)

ड्राई सेल एक प्राथमिक (Primary) सेल है जिसमें इलेक्ट्रोलाइट द्रव अवस्था के स्थान पर पेस्ट के रूप में प्रयुक्त होता है।

यह दैनिक जीवन में सर्वाधिक उपयोग होने वाले सेल में से एक है।

संरचना (Structure)

मुख्य भाग:

जस्ता पात्र (Zn Container) → एनोड
कार्बन छड़ (Graphite Rod) → कैथोड
MnO₂ तथा कार्बन मिश्रण
NH₄Cl तथा ZnCl₂ का पेस्ट
इन्सुलेटिंग सील

Dry Cell : Structure

कार्य सिद्धांत

रासायनिक अभिक्रिया के कारण इलेक्ट्रॉन जस्ता से बाह्य परिपथ में प्रवाहित होते हैं।

अभिक्रियाएँ

एनोड

Zn(s) -> Zn²⁺ + 2e⁻

कैथोड

2MnO₂ + 2NH₄⁺ + 2e⁻ -> Mn₂O₃ + 2NH₃ + H₂O

कुल अभिक्रिया

Zn + 2MnO₂ + 2NH₄Cl -> ZnCl₂ + Mn₂O₃ + 2NH₃ + H₂O

अनुप्रयोग

घड़ी
टॉर्च
खिलौने
रिमोट

लाभ

हल्का
सस्ता
उपयोग में सरल

सीमाएँ

पुनः आवेशित नहीं
सीमित आयु

अभ्यास प्रश्न — ड्राई सेल

प्रश्न 1 ड्राई सेल किस प्रकार का सेल है?

उत्तर: प्राथमिक सेल।

प्रश्न 2 ड्राई सेल में एनोड क्या होता है?

उत्तर: जस्ता पात्र।

प्रश्न 3 कैथोड क्या होता है?

उत्तर: कार्बन रॉड।

प्रश्न 4 ड्राई सेल का इलेक्ट्रोलाइट क्या है?

उत्तर: NH₄Cl तथा ZnCl₂ पेस्ट।

प्रश्न 5 ड्राई सेल को पुनः आवेशित क्यों नहीं किया जाता?

उत्तर: इसकी अभिक्रिया अपरिवर्तनीय होती है।

मरकरी सेल (Mercury Cell)

यह एक प्राथमिक सेल है जो स्थिर विभव प्रदान करता है।

संरचना

जस्ता एनोड
HgO कैथोड
KOH इलेक्ट्रोलाइट

अभिक्रियाएँ

एनोड

Zn + 2OH⁻ -> ZnO + H₂O + 2e⁻

कैथोड

HgO + H₂O + 2e⁻ -> Hg + 2OH⁻

कुल अभिक्रिया

Zn + HgO -> ZnO + Hg

अनुप्रयोग

कैलकुलेटर
श्रवण यंत्र
इलेक्ट्रॉनिक उपकरण

लाभ

स्थिर विभव
छोटा आकार

सीमाएँ

पारा प्रदूषण
पर्यावरणीय जोखिम

अभ्यास प्रश्न — मरकरी सेल

प्रश्न 1 मरकरी सेल किस प्रकार का सेल है?

उत्तर: प्राथमिक सेल।

प्रश्न 2 कैथोड पदार्थ क्या है?

उत्तर: HgO

प्रश्न 3 इलेक्ट्रोलाइट क्या होता है?

उत्तर: KOH

प्रश्न 4 मरकरी सेल की विशेषता क्या है?

उत्तर: स्थिर विभव।

प्रश्न 5 इसका प्रमुख दोष क्या है?

उत्तर: पारा प्रदूषण।

लेड स्टोरेज बैटरी (Lead Storage Battery)

यह एक द्वितीयक (Secondary) बैटरी है।

संरचना

Pb एनोड
PbO₂ कैथोड
H₂SO₄ इलेक्ट्रोलाइट

डिस्चार्ज अभिक्रिया

एनोड

Pb + SO₄²⁻ -> PbSO₄ + 2e⁻

कैथोड

PbO₂ + 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻ -> PbSO₄ + 2H₂O

कुल अभिक्रिया

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ -> 2PbSO₄ + 2H₂O

अनुप्रयोग

वाहन
UPS
इन्वर्टर

लाभ

पुनः आवेशित
उच्च धारा

सीमाएँ

भारी
रखरखाव आवश्यक

अभ्यास प्रश्न — लेड स्टोरेज बैटरी

प्रश्न 1 लेड स्टोरेज बैटरी किस प्रकार की बैटरी है?

उत्तर: द्वितीयक बैटरी।

प्रश्न 2 लेड स्टोरेज बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट क्या होता है?

उत्तर: H₂SO₄

प्रश्न 3 लेड स्टोरेज बैटरी में डिस्चार्ज पर क्या बनता है?

उत्तर: PbSO₄

प्रश्न 4 लेड स्टोरेज बैटरी कहाँ उपयोग होती है?

उत्तर: वाहनों में।

प्रश्न 5 लेड स्टोरेज बैटरी के मुख्य लाभ क्या है?

उत्तर: पुनः आवेशित होती है।

निकेल–कैडमियम बैटरी (Ni–Cd Battery)

संरचना

एनोड → Cd
कैथोड → NiO(OH)
इलेक्ट्रोलाइट → KOH

अभिक्रिया

Cd + 2NiO(OH) + 2H₂O -> Cd(OH)₂ + 2Ni(OH)₂

उपयोग

कैमरा
आपात प्रकाश

लाभ

पुनः आवेशित
टिकाऊ

सीमाएँ

कैडमियम प्रदूषण

अभ्यास प्रश्न (5)

इलेक्ट्रोलाइट? → KOH
एनोड? → Cd
कैथोड? → NiO(OH)
प्रकार? → द्वितीयक
दोष? → विषाक्तता

लिथियम-आयन बैटरी (Lithium-ion Battery)

यह आधुनिक पुनः आवेशित बैटरी है।

संरचना

एनोड → ग्रेफाइट
कैथोड → LiCoO₂
इलेक्ट्रोलाइट → Li लवण

कार्य सिद्धांत

चार्ज एवं डिस्चार्ज के समय Li⁺ आयन दोनों इलेक्ट्रोडों के बीच गति करते हैं।

अनुप्रयोग

मोबाइल
लैपटॉप
EV

लाभ

उच्च ऊर्जा घनत्व
हल्की

सीमाएँ

महँगी
ताप संवेदनशील

अभ्यास प्रश्न — Lithium-ion Battery

आधुनिक बैटरी कौन-सी? → Li-ion
एनोड? → ग्रेफाइट
कैथोड? → LiCoO₂
उपयोग? → मोबाइल
लाभ? → उच्च ऊर्जा घनत्व

त्वरित पुनरावृत्ति

सेल	प्रकार
Dry Cell	प्राथमिक
Mercury Cell	प्राथमिक
Lead Storage	द्वितीयक
Ni–Cd	द्वितीयक
Li-ion	द्वितीयक

फ्यूल सेल (Fuel Cell)

फ्यूल सेल एक विद्युत-रासायनिक सेल है जिसमें अभिकारकों की निरंतर आपूर्ति द्वारा लगातार विद्युत ऊर्जा उत्पन्न की जाती है।

सामान्यतः हाइड्रोजन–ऑक्सीजन फ्यूल सेल का उपयोग किया जाता है।

कार्य सिद्धांत

फ्यूल तथा ऑक्सीकारक की रासायनिक ऊर्जा को सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है।

संरचना

मुख्य भाग:

हाइड्रोजन गैस कक्ष
ऑक्सीजन गैस कक्ष
इलेक्ट्रोड
इलेक्ट्रोलाइट
बाह्य परिपथ

AI Image Prompt — Hydrogen Oxygen Fuel Cell

File Name: hydrogen-oxygen-fuel-cell.webp

Alt Text: हाइड्रोजन ऑक्सीजन फ्यूल सेल का संरचना चित्र

Description: एनोड, कैथोड, इलेक्ट्रोलाइट तथा गैस प्रवाह सहित पूर्ण संरचना चित्र।

AI Prompt:

Create a detailed NCERT style Hydrogen Oxygen Fuel Cell diagram. Show hydrogen chamber, oxygen chamber, electrolyte, labelled anode and cathode, electron flow, ion flow and water formation.

फ्यूल सेल में अभिक्रियाएँ

एनोड

2H₂ + 4OH⁻ -> 4H₂O + 4e⁻

कैथोड

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ -> 4OH⁻

कुल अभिक्रिया

2H₂ + O₂ -> 2H₂O

फ्यूल सेल के अनुप्रयोग

अंतरिक्ष यान
विद्युत वाहन
ऊर्जा उत्पादन
स्वच्छ ऊर्जा प्रणाली

फ्यूल सेल के लाभ

उच्च दक्षता
कम प्रदूषण
निरंतर ऊर्जा उत्पादन

फ्यूल सेल की सीमाएँ

उच्च लागत
हाइड्रोजन भंडारण कठिन
संरचना जटिल

अभ्यास प्रश्न — फ्यूल सेल

प्रश्न 1 फ्यूल सेल क्या है?

उत्तर: ऐसा सेल जिसमें अभिकारकों की सतत आपूर्ति से विद्युत उत्पन्न होती है।

प्रश्न 2 सबसे सामान्य फ्यूल सेल कौन-सा है?

उत्तर: हाइड्रोजन–ऑक्सीजन फ्यूल सेल।

प्रश्न 3 अंतिम उत्पाद क्या बनता है?

उत्तर: जल।

प्रश्न 4 क्या फ्यूल सेल प्रदूषण कम करता है?

उत्तर: हाँ।

प्रश्न 5 मुख्य दोष क्या है?

उत्तर: उच्च लागत।

सेल क्षमता (Cell Capacity)

सेल द्वारा संग्रहित कुल विद्युत आवेश को उसकी क्षमता कहते हैं।

इकाई

Ampere-hour (Ah)

सूत्र

क्षमता = धारा × समय

Capacity = I × t

ऊर्जा घनत्व (Energy Density)

प्रति इकाई द्रव्यमान संग्रहित ऊर्जा को ऊर्जा घनत्व कहते हैं।

विभिन्न सेल एवं बैटरियों की तुलना

गुण	Dry Cell	Mercury Cell	Lead Storage	Ni–Cd	Li-ion	Fuel Cell
प्रकार	प्राथमिक	प्राथमिक	द्वितीयक	द्वितीयक	द्वितीयक	विशेष
पुनः आवेशित	नहीं	नहीं	हाँ	हाँ	हाँ	ईंधन आधारित
भार	कम	कम	अधिक	मध्यम	कम	परिवर्ती
ऊर्जा घनत्व	कम	मध्यम	मध्यम	अच्छा	उच्च	बहुत उच्च
उपयोग	घरेलू	उपकरण	वाहन	इलेक्ट्रॉनिक्स	मोबाइल	ऊर्जा

प्राथमिक तथा द्वितीयक सेल में अंतर

प्राथमिक सेल	द्वितीयक सेल
पुनः आवेशित नहीं	पुनः आवेशित
अभिक्रिया अपरिवर्तनीय	अभिक्रिया प्रतिवर्ती
कम जीवनकाल	अधिक जीवनकाल

बोर्ड परीक्षा हेतु महत्वपूर्ण दीर्घ उत्तरीय प्रश्न

प्रश्न 1 डेनियल सेल की संरचना, कार्यविधि तथा अभिक्रियाएँ लिखिए।

प्रश्न 2 लेड स्टोरेज बैटरी का सिद्धांत एवं कार्य समझाइए।

प्रश्न 3 फ्यूल सेल क्या है? इसके लाभ एवं सीमाएँ लिखिए।

प्रश्न 4 गैल्वैनिक एवं विद्युत अपघटनी सेल में अंतर लिखिए।

प्रश्न 5 लिथियम आयन बैटरी की संरचना एवं कार्य सिद्धांत समझाइए।

अति महत्वपूर्ण लघु उत्तरीय प्रश्न

प्रश्न 1 एनोड पर कौन-सी प्रक्रिया होती है?

उत्तर: ऑक्सीकरण।

प्रश्न 2 कैथोड पर कौन-सी प्रक्रिया होती है?

उत्तर: अपचयन।

प्रश्न 3 लवण सेतु का कार्य क्या है?

उत्तर: आवेश संतुलन बनाए रखना।

प्रश्न 4 किस बैटरी में PbSO₄ बनता है?

उत्तर: लेड स्टोरेज बैटरी।

प्रश्न 5 सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली आधुनिक बैटरी कौन-सी है?

उत्तर: लिथियम-आयन बैटरी।

बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQ)

1. डेनियल सेल में एनोड कौन होता है?

A. Cu
B. Zn
C. Pt
D. Ag

उत्तर: B

2. लवण सेतु का कार्य है—

A. इलेक्ट्रॉन प्रवाह
B. आयन प्रवाह
C. प्रकाश उत्पादन
D. ताप नियंत्रण

उत्तर: B

3. लेड स्टोरेज बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट है—

A. HCl
B. H₂SO₄
C. NaOH
D. KOH

उत्तर: B

4. Li-ion बैटरी है—

A. प्राथमिक
B. द्वितीयक
C. फ्यूल सेल
D. शुष्क सेल

उत्तर: B

5. फ्यूल सेल का अंतिम उत्पाद है—

A. NH₃
B. H₂O
C. CO₂
D. H₂SO₄

उत्तर: B

6. Dry Cell में कैथोड है—

A. Graphite
B. Zn
C. Hg
D. Pb

उत्तर: A

7. Mercury Cell में इलेक्ट्रोलाइट—

A. H₂SO₄
B. KOH
C. HCl
D. NH₄OH

उत्तर: B

8. विद्युत-रासायनिक सेल में ऊर्जा परिवर्तन—

A. विद्युत → ऊष्मा
B. रासायनिक → विद्युत
C. प्रकाश → विद्युत
D. यांत्रिक → विद्युत

उत्तर: B

9. सेल विभव का सूत्र—

A. Eanode − Ecathode
B. Ecathode − Eanode
C. I × R
D. V/I

उत्तर: B

10. पुनः आवेशित बैटरी—

A. Dry Cell
B. Mercury Cell
C. Lead Storage
D. Daniel Cell

उत्तर: C

सम्पूर्ण अध्याय पुनरावृत्ति

Cell → रासायनिक ऊर्जा से विद्युत ऊर्जा
Battery → अनेक सेल का संयोजन
Anode → ऑक्सीकरण
Cathode → अपचयन
Salt Bridge → आयन संतुलन
Primary Cell → पुनः आवेशित नहीं
Secondary Cell → पुनः आवेशित
Fuel Cell → सतत ईंधन आपूर्ति

अध्याय का निष्कर्ष

सेल तथा बैटरियाँ आधुनिक ऊर्जा प्रौद्योगिकी की आधारशिला हैं। गैल्वैनिक सेल, प्राथमिक एवं द्वितीयक बैटरियाँ तथा फ्यूल सेल विद्युत-रासायनिक सिद्धांतों पर कार्य करते हैं और दैनिक जीवन से लेकर अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी तक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

अन्य महत्वपूर्ण नोट्स