الکتروشیمی علمی مابین شیمی فیزیک و شیمی تجزیه است. به الکتروشیمی، برق شیمی هم گفته می‌شود. علم الکتروشیمی واکنش های شیمیایی را بررسی می‌کند که به دلیل عبور جریان الکتریکی انجام می شوند. از دیگر کاربرد الکتروشیمی می توان به بررسی واکنش هایی اشاره کرد که انجام آن ها جریان الکتریکی تولید می‌کند. جالب است بدانید انجام این واکنش ها با تغییر در عدد اکسایش همراه است. تمام واکنش‌های الکتروشیمی نوعی واکنش اکسایش کاهش هستند. درواقع مبادله الکترون قسمت اجتناب ناپذیر این واکنش ها محسوب می‌شود. واکنش هایی مانند زنگ زدن آهن و فاسد شدن مواد غذایی از واکنش های مضر اکسایش کاهش و الکتروشیمی محسوب می‌شوند. واکنش های مانند آبکاری فلزات و سوختن از واکنش های مفید اکسایش کاهش یا همان الکتروشیمی به حساب می‌آیند. دانشمندان با کاربرد الکتروشیمی موفق به تولید انواع باتری های شیمیایی شدند. در ادامه با بررسی کاربرد الکتروشیمی و تاریخچه آن همراه ما باشید.
نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی بسیاری از کاربرد های شیمی پرداخته است. در ادامه با ما همراه باشید تا واکنش های الکتروشیمی و کاربرد آن در علم و صنعت آشنا شوید.
انواع واکنش های الکتروشیمی
ممکن است انرژی که در واکنش های شیمیایی جذب یا آزاد می گردد به شکل انرژی الکتریکی باشد. الکتروشیمی آن قسمت از علم شیمی است که تبدیل انرژی شیمیایی و الکتریکی به یکدیگر را مطالعه می کند. کاربرد الکتروشیمی در زندگی روزمره استفاده های زیادی دارد. الکتروشیمی علمی است که به ارتباط بین انرژی الکتریکی و تغییر شیمیایی می پردازد. هنگامی که در اثر جریان خارجی یک تغییر شیمیایی رخ دهد، یک واکنش الکتروشیمیایی به وقوع می پیوندد. این واکنش می تواند به صورت خود به خودی و یا غیر خودبه خودی رخ دهد.
عملکرد انواع باتری‌ها، چراغ قوه، خودرو و… به واکنش های الکتروشیمیایی وابسته اند. دیگر کاربرد الکتروشیمی در آبکاری فلزات مشاهده می‌شود. از دیگر کاربرد های الکتروشیمی می توان به انتقال پیام عصبی در بدن موجودات زنده اشاره نمود. این واکنش‌ها بر اساس واکنش های ردوکس یا همان انتقال الکترون انجام می گیرند.
واکنش ردوکس
به واکنش هایی که در آن عدد اکسایش عنصری کاهش یابد، نیم واکنش کاهش گفته می شود. واکنشی که در آن عدد اکسایش عنصری افزایش یابد، نیم واکنش اکسایش نامیده می شود. مجموع این دو نیم واکنش، واکنش اکسایش- کاهش را ایجاد می کنند. واکنش یون های مس (II) به عنوان واکنش های مستقیم اکسایش کاهش یا ردوکس (مستقیم ردوکس) شناخته می شوند. در واکنش مستقیم ردوکس الکترون های انتقالی از اتم های سطح نوار روی (Zn) مستقیما به سمت یون‌های مس موجود در محلول حرکت می کنند.
جریان الکتریسیته برای مسیر حرکت الکترون ها و انجام کار به محیطی رسانا مانند یک سیم الکتریکی نیاز دارد. مفهوم بالا در پیوند فلزی به خوبی بیان می گردد. نمونه ای از کاری که انجام می شود، شامل روشن کردن یک لامپ یا بکار انداختن سیستم گرمایشی است. اساس کار تمامی سلول های الکتروشیمی این است که در واکنش‌های الکتروشیمیایی فرآیندهای اکسایشی از فرآیندهای کاهشی جدا شده و الکترون از محلی به محل دیگر حرکت می کنند. بنابراین یک سلول الکتروشیمیایی دستگاهی است که انرژی های شیمیایی و الکتریکی را به هم تبدیل می کند.
برای انجام واکنش الکتروشیمی به سه جز نیاز است. اولین جز مورد نیاز یک محلول برای انجام واکنش‌های ردوکس است. معمولا این واکنش‌ها برای تسهیل حرکت یون ها و الکترون ها در آب انجام می شوند. درضمن برای انتقال الکترون ها نیز به یک محیط رسانا نیاز است. اغلب برای این محیط رسانا از یک سیم الکتریکی استفاده می شود. برای حرکت از بخشی به بخش دیگر نیز به محیطی موسوم به پل نمکی احتیاج است.
کاربرد واکنش الکتروشیمی
اگر به برخی از مجسمه ها و اشیا فلزی بنگرید، متوجه زنگ زدگی آن ها خواهید شد. درواقع اگر این اشیا فلزی بدون محافظت در مجاورت هوا قرار بگیرند به خوردگی دچار می شوند. در این مجسمه ها و اشیا فرآیندهای خوردگی رخ می دهد که مجموعه ای از واکنش های ردوکس را شامل می شود. در مواردی هم عمدا فلزات و آثار هنری بدون محافظ ساخته می شوند تا با خوردگی ارزش زیبایی شناختی آثار افزایش یابد.
سلول ولتاییک
سلول ولتاییک نوعی سلول الکتروشیمیایی است که برای تولید انرژی الکتریکی از واکنش های خود به خودی ردوکس بهره می گیرد. یک سلول ولتاییک از دو بخش مجزا تشکیل یافته است. در این سلول، دو نیم وجود دارد که در هر یک، نیم واکنش های اکسایش یا کاهش و نه هر دو انجام می‌شوند. یک نیم‌سلول حاوی نوار فلزی روی در محلولی از سولفات روی است. نیم‌سلول دیگر حاوی نوار مسی در محلول مس (II) سولفات است. به این نوارهای فلزی الکترود گفته می شود. الکترود نوعی رسانا در مدار است که جهت حمل الکترون ها به بخش نافلزی مدار به کار می آید.
منظور از بخش نافلزی مدار محلول الکترولیت است. درواقع الکترود ها در این محلول قرار می‌گیرند. الکترودها توسط سیمی فلزی به یکدیگر وصل می‌شوند. قطع و وصل مدار نیز توسط یک کلید کنترل می شود. در نهایت جهت تکمیل مدار می توان از غشایی متخلخل بین دو نیم سلول استفاده نمود.
انواع سلول الکتروشیمی
سلول گالوانی
به سلول گالوانی سلول ولتایی نیز گفته می شود. انرژی الکتریکی در نوع گالوانی با استفاده از انرژی آزاد شده حین واکنش خود به خودی اکسایش -کاهش تولید می شود.
سلول الکترولیتی
سلول الکترولیتی با مصرف انرژی الکتریکی حاصل از منبع خارجی، انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می کند.
الکتروشیمی و پتانسیل الکتریکی
پتانسیل الکتریکی یک معیار است که توسط آن توانایی یک سلول ولتاییک برای تولید جریان الکتریکی سنجیده می شود. پتانسیل الکتریکی را با واحد ولت ارائه می شود. اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نیم سلول درواقع همان ولتاژی است که یک سلول ولتاییک تولید می کند. بنابراین پتانسیل الکتریکی یک نیم سلول مجزا قابل اندازه گیری نمی باشد. اگر یک نیم سلول روی ساخته شود، هیچ واکنش اکسایش و کاهشی به تنهایی در آن رخ نخواهد داد. بنابراین هیچ پتانسیل الکتریکی را نیز نمی توان اندازه گیری نمود. درواقع اختلاف پتانسیل زمانی معنا می یابد که نیم سلول دیگری با نیم سلول روی ترکیب شود.
پتانسیل الکتریکی سلول در الکتروشیمی در نتیجه رقابت بین الکترون ها به وجود می‌آید. مثلا در سلول ولتاییک روی مس، یون مس به فلز مس کاهش می یابد. زیرا یون های مس نسبت به روی، جاذبه بیشتری برای الکترون ها دارند.
به معیار اندازه گیری تمایل یک نیم واکنش جهت وقوع در یک سلول الکتروشیمیایی پتانسیل کاهش گفته می شود که به صورت واکنشی کاهشی است. واکنش کاهش در نیم سلولی رخ می دهد که پتانسیل کاهش بیشتری دارد. واکنش اکسایش نیز در نیم سلولی رخ می دهد که پتانسیل کاهش کمتری داشته باشد. بنابراین در سلول الکتروشیمیایی به اختلاف پتانسیل کاهش بین دو نیم سلول، پتاسیل سلول گفته می شود.
پتانسیل استاندارد در الکتروشیمی
برای بررسی عملکرد یک سلول در الکتروشیمی باید دو نیم سلول وجود داشته باشد. برای طراحی این دو سلول می توان از جدول پتانسیل استاندارد کاهش کمک گرفت. این جدول برای تعیین واکنش های اکسایش- کاهش و پتانسیل استاندارد سلول استفاده می شود. مزیت این جدول در آن است که بدون نیاز به ساخت سلول و آزمایش قابل کاربرد است. این جدول به سادگی می تواند در انواع محاسبات مورد استفاده قرار گیرد.
با توجه به این جدول در یک سلول، نیم‌سلولی که پتانسیل کاهش بالاتری داشته باشد، کاهش پیدا می‌کند. سلولی که پتانسیل کاهش کمتر دارد نیز اکسایش می یابد. در این صورت مقدار پتانسیل سلول، عدد مثبتی خواهد بود. مقادیر مثبت نشان دهنده واکنش‌های ردوکس در سلول است که به صورت خود به خودی انجام می شوند. مقادیر منفی بدان معناست که واکنش در جهت عکس، خود به خودی خواهد بود.
الکترولیز آب در الکتروشیمی
الکترولیز آب منجر به آزاد شدن گازهای هیدروژن و اکسیژن خواهد شد. سلول الکترولیتی شامل یک جفت الکترود پلاتینی است که در آب غوطه ور شده است. یک الکترولیت همچون H۲SO۴ نیز اضافه می گردد. الکترولیت در الکترولیز آب از ضروریات واکنش بشمار می آید. زیرا آب خالص به دلیل فقدان یون کافی، توانایی حمل بار الکتریکی ندارد. آب در آند به گاز اکسیژن و یون هیدروژن تبدیل می‌گردد. در کاتد نیز طی واکنش کاهشی، آب به گاز هیدروژن و یون هیدروکسید تبدیل می گردد. اکسایش در آند و کاهش در کاتد رخ می دهد. یون هیدروژن و هیدروکسید که در هر نیم واکنش تولید می شوند، در ترکیب با یکدیگر، آب تشکیل می‌دهند. H۲SO۴ نیز در واکنش مصرف نمی گردد.
الکتروشیمی و آبکاری
پیش تر درباره الکتروشیمی و کاربرد آن در سلول‌های الکترولیتی توضیح داده شد. در ادامه به بررسی آبکاری می پردازیم که بخشی از الکتروشیمی محسوب می شود. بسیاری از اشیا تزئینی که در اطراف خود مشاهده می کنید به کمک آبکاری ساخته شده اند. به فرآیندی که یون فلزی در سلول الکترولیتی کاهش یافته و فلز بر روی یک سطح رسوب می‌کند، آبکاری گفته می شود.
سلولی را نظر بگیرید که از یک محلول مس (II) سولفات و نواری از مس تشکیل شده است که نقش آند را داراست. فلز M را می توان به این سلول وارد کرده تا کاتد را تشکیل دهد. آند به الکترود مثبت باتری و فلز به الکترود منفی متصل می گردد. وقتی مدار بسته شد، فلز مس در بخش آند اکسید گردیده و یون های مس در محلول وارد می شوند. همزمان یون های مس موجود در محلول، پس از واکنش کاهشی به صورت فلز بر روی سطح کاتد رسوب می‌کنند. البته غلظت یون های مس در محلول ثابت می مانند. زیرا در آبکاری، فلز از بخش آند به بخش کاتد سلول انتقال می یابد.
از فلزاتی که به طور معمول از طریق آبکاری بر روی دیگر فلزات نشانده می شوند می توان به: کروم، طلا، نقره و پلاتین اشاره کرد.
الکتروشیمی در باتری
سلول های خشک
باتری های معمول مانند باتری چراغ قوه یا کنترل تلویزیون، نوعی از سلول های خشک ولتاییک بشمار می آیند. از آن جهت به آن ها سلول خشک گفته می شود که الکترولیت این نوع باتری ها خمیری است. این نوع سلول‌ها قیمت پایینی دارند. زیرا عمر پایینی داشته و قابل شارژ مجدد هم نیستند. وجود خمیر در این باتری ها موجب می شود تا محتویات سلول خشک به راحتی با یکدیگر مخلوط نشده و بنابراین به پل نمکی نیازی نخواهد بود.
عملکرد باتری سربی
باتری ها مجموعه ای از سلول‌های الکتروشیمیایی هستند که در ترکیب با یکدیگر، منبعی از برق مستقیم با ولتاژ ثابت را به وجود می آورند. البته سلول های خشک، باتری محسوب نمی شوند زیرا تنها از یک سلول تشکیل شده اند. باتری‌های سربی اغلب در خودروها و وسایل نقلیه دیگر استفاده می شوند. این باتری‌ها معمولا از اتصال شش سلول به وجود آمده اند که هریک از این سلول‌ها، آندی از سرب و کاتدی از جنس سرب (IV) اکسید PbO۲ دارند. آند و کاتد درون صفحه ای فلزی قرار گرفته‌اند. محلول آبی سولفوریک اسید محلول الکترولیت بوده که کاتد و آند در آن غوطه ور شده‌اند. در هر سلول در این نوع از باتری‌ها، ولتاژی برابر با ۲ ولت تولید می شود. در یک باتری شش سلولی، ۱۲ ولت برق تولیده شده که از آن برای روشن نمودن خودرو یا سیستم های الکتریکی استفاده می گردد.
سخن آخر
امروزه شیمی و کاربرد آن در زندگی روزمره و صنعت بسیار گسترش یافته است. یکی از این کاربرد ها استفاده از واکنش های مرتبط با الکتروشیمی است. همان‌طور که در بالا اشاره شد واکنش های الکتروشیمیایی به صورت ویژه ای گسترش یافته اند. این واکنش ها در صنایع مختلف به‌ویژه آبکاری فلزات بسیار استفاده می شوند. درواقع بدون واکنش های الکتروشیمی بسیاری از فعالیت ها مختل خواهد شد. با پیشرفت بیشتر علم و تکنولوژی انسان می تواند نیاز های خود را در جهت رفاه عمومی بهبود بخشد. شیمی علمی است که کمک های بی‌شماری به دانشمندان نموده است تا بتوانند گام های مفیدی در پیشرفت علمی جوامع بردارند. در واقع در هر صنعتی که وارد می شویم جایگاه و نشانی از علم شیمی به چشم خواهد خورد.
