مقدمهای بر الکتروشیمی
الکتروشیمی شاخهای از شیمی است که به بررسی رابطه بین واکنشهای شیمیایی و جریان الکتریسیته میپردازد. این شاخه شامل مفاهیمی نظیر اکسایش و کاهش، پیلهای الکتروشیمیایی، پتانسیلهای الکتریکی و ترمودینامیک واکنشها میشود. یادگیری الکتروشیمی برای دانشآموزان متوسطه دوم اهمیت ویژهای دارد زیرا پایه بسیاری از سیستمهای عملی مثل باتریها، حفاظت کاتدی و فرآیندهای غیرفعالسازی فلزات را تشکیل میدهد. در این درس، ما به بررسی چرایی و چگونگی تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی و بالعکس خواهیم پرداخت. مفاهیم اساسی به صورت پیوسته و با مثالهای عددی و تصویری توضیح داده خواهند شد تا درک عمیقتری ایجاد شود. همچنین بخشهایی برای مسائل کاربردی و تمرینات در پایان ارائه میشود.
مفاهیم پایه: اکسایش و کاهش
واژگان اکسایش و کاهش قلب الکتروشیمی را تشکیل میدهند. اکسایش به از دست دادن الکترون و افزایش عدد اکسایش اطلاق میشود، در حالی که کاهش به کسب الکترون و کاهش عدد اکسایش اشاره دارد. در یک واکنش اکسایش–کاهش کامل، تعداد الکترونهای از دست رفته توسط گونه اکسایششونده برابر با تعداد الکترونهای کسبشده توسط گونه کاهشیابنده است. دلیل این توازن، اصل پابرجایی بار الکتریکی است که مانع ایجاد یا از بین رفتن بار خالص میشود. برای نوشتن واکنشهای نیمواکنش میتوانیم الکترونها را به صراحت نمایش دهیم که بعداً هنگام جمع کردن نیمواکنشها، الکترونها حذف خواهند شد. درک این مفهوم به حل مسائل محاسباتی الکتروشیمی کمک میکند زیرا جریان الکتریکی و تغییرات پتانسیل به حرکت الکترون مرتبط است.
نیمواکنشها و توازن الکترونی
نیمواکنشها بیانگر فرآیند اکسایش یا کاهش بهصورت جداگانه هستند و برای نوشتن واکنش کل باید آنها را با هم جمع کنیم. هر نیمواکنش میتواند شامل الکترون، یون هیدروژن، و مولکول آب باشد تا اتمها و بارها توازن یابند. برای مثال نیمواکنش اکسایش روی برای
در محلول آبی را میتوان نوشت:
و نیمواکنش کاهش مس را به صورت
نوشت. با جمعکردن این دو نیمواکنش، الکترونها حذف میشوند و واکنش کامل حاصل میشود:
. دقت در توازن الکترونها به ما کمک میکند جریان الکتریکی تولیدشده و مقدار ماده تبدیلشونده را محاسبه کنیم. فهم این روند برای طراحی پیلها و محاسبات جرمی-الکترونی حیاتی است.
پیل آبسرد و پیل ولتایی: ساختار و عملکرد
پیل ولتایی یا پیل گالوانی دستگاهی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. این پیل از دو الکترود متفاوت که در محلولهای الکترولیت جداگانه قرار دارند، تشکیل شده است. الکترودها از طریق یک سیم خارجی به هم متصل شدهاند تا الکترونها بتوانند از آند به کاتد جریان یابند و مدار بسته شود. پل نمکی یا غشاء یونی برای حفظ توازن بار و انتقال یونها بین نیمسلولها مورد استفاده قرار میگیرد. معمولاً در آند اکسایش رخ میدهد و الکترونها تولید میشوند؛ در کاتد کاهش رخ میدهد و الکترونها مصرف میشوند. مثال عملی آن پیل دانیل است که شامل الکترود روی و مس و الکترولیتهای سولفات است و ولتاژ مشخصی تولید میکند.
- پیل گالوانی (ولتا) — تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی
- الکترولیز — تبدیل انرژی الکتریکی به شیمیایی
پتانسیل استاندارد الکترود و جدول ولتاژها
پتانسیل استاندارد الکترود یا $$E^\