سلول الکتروشیمیایی چیست و چه کاربردی دارد؟

سلول الکتروشیمیایی وسیله ای است که می تواند از واکنش های شیمیایی رخ داده در آن انرژی الکتریکی تولید کند یا از انرژی الکتریکی تأمین شده برای تسهیل واکنش های شیمیایی موجود در آن استفاده کند. این دستگاه ها قادر به تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی یا بالعکس هستند. یک نمونه معمول از یک سلول الکتروشیمیایی یک باتری ۱.۵ ولتی استاندارد است که برای تأمین انرژی بسیاری از وسایل برقی مانند ریموت تلویزیون و ساعت استفاده می شود.

چنین سلولهایی که قادر به تولید جریان الکتریکی از واکنشهای شیمیایی رخ داده در آنها هستند  سلولهای گالوانی یا سلولهای ولتایی نیز نامیده می شوند. از طرف دیگر ، سلول هایی که باعث می شوند واکنش های شیمیایی در آنها هنگام عبور جریان الکتریکی رخ دهد ، سلول  الکترولیتی نامیده می شوند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

اجزاء سلول الکتروشیمیایی

سلولهای الکتروشیمیایی دارای دو الکترود رسانا هستند که آند و کاتد نامیده می شوند. آند به عنوان الکترودی که اکسیداسیون در آن اتفاق می افتد تعریف می شود. کاتد الکترودی است که کاهش در آن اتفاق می افتد. الکترودها را می توان از هر ماده رسانایی مانند فلزات ، نیمه هادی ها ، گرافیت و حتی پلیمرهای رسانا ساخت. در بین این الکترودها الکترولیت قرار دارد که حاوی یونهایی است که می توانند آزادانه حرکت کنند.

سلول گالوانی از دو الکترود مختلف فلزی استفاده می کند که هر کدام در محلول الکترولیت هستند. آند تحت اکسیداسیون قرار می گیرد و کاتد کاهش می یابد. فلز آند اکسید می شود و از حالت اکسیداسیون ۰ (به صورت جامد) به حالت اکسیداسیون مثبت می رود و تبدیل به یون می شود. در کاتد ، یون فلز موجود در محلول یک یا چند الکترون از کاتد را می پذیرد و حالت اکسیداسیون یون به ۰ کاهش می یابد. این روند یک یون فلزی تولید می کند که روی کاتد رسوب می کند.

این دو الکترود باید از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل شوند و امکان جریان یافتن الکترون هایی را فراهم کنند که از فلز آند خارج شده و از طریق این اتصال به یونهای سطح کاتد جریان یابند. این جریان الکترون یک جریان الکتریکی است که می تواند برای انجام کار مانند چرخاندن موتور یا روشن کردن چراغ مورد استفاده قرار گیرد. سلول گالوانی در درس شیمی پایه دوازدهم بطور کامل شرح داده شده است.

نقش دیواره متخلخل یا پل نمکی در سلول گالوانی حفظ حالت خنثی در الکترولیت است و کمک می کند حرکت الکترون ها ادامه یافته و به جریان الکتریکی تبدیل شود.

انواع سلول الکتروشیمیایی را نام ببرید

سلول گالوانی

یک سلول گالوانی که آنرا سلول ولتایی نیز می نامند با استفاده از انرژی آزاد شده حین انجام واکنش خودبه‌خودی اکسایش -کاهش، انرژی الکتریکی تولید می کند.

سلول الکترولیتی

در یک سلول الکترولیتی با مصرف انرژی الکتریکی حاصل از منبع خارجی انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود.

سری الکتروشیمیایی چیست؟

فهرستی از عناصر با ترتیب کاهشی در واکنش‌ پذیری را سری الکتروشیمیایی می گویند که برای پیش بینی خودبخودی بودن یک واکنش مورد استفاده قرار می گیرند.عنصری که در بالای این فهرست قرار گرفته باشد، در یک واکنش جابجایی ساده باعث جابجایی عناصر پایین ‌تر از خود در یک واکنش شیمیایی می شود.

در این فهرست، عناصر به ترتیب سادگی اکسایش، مرتب شده اند. بدین ترتیب که عنصر بالاتر، راحت تر اکسیده می ‌شود و با حرکت به سمت  پایین ‌عناصر سخت ‌تر دچار اکسایش می شوند.

سلول الکتروشیمیایی روی مس

اصل عملکرد سلول ولتایی یک واکنش اکسیداسیون و احیا همزمان است که واکنش ردوکس نامیده می شود. این واکنش ردوکس شامل دو نیم واکنش است. در یک سلول ولتایی معمولی ، جفت ردوکس مورد استفاده مس و روی هستند که در واکنش های نیم سلول زیر نشان داده شده است:

 

الکترود روی (آند):   -Zn (s) → Zn2 + (aq) + 2 e

الکترود مس (کاتد):       Cu2 + (aq) + 2 e– → Cu 

سلول ها در الکترولیت های جداگانه ای قرار دارند. الکترودهای فلزی در محلول های الکترولیت غوطه ور می شوند. نیم سلول ها توسط یک پل نمکی بهم متصل می شود که امکان انتقال گونه های یونی بین دو سلول را فراهم می کند. وقتی مدار کامل شد ، جریان برقرار شده و سلول انرژی الکتریکی تولید می کند.

در سلول الکتروشیمیایی آهن و مس از آنجاییکه آهن در ســری الکتروشیمیایی بالاتر از مس قرار دارد تمایل بیشتری برای از دست دادن الکترون و اکسایش دارد. Cu به علت اینکه در ســری الکتروشــیمیایی پایین تر از Fe  قرار دارند تمایل بیشتری برای گرفتن الکترون و کاهیده شدن دارند. بنابراین انتقال الکترون از طریق مدار بیرونی (ســیم رابط) و از ســمت آهن به طرف مس انجام می شود.

سلول الکتروشیمیایی روی نقره  و سلول گالوانی مس و نقره مثال هایی از این دست هستند که در آنها روی و مس اکسیده شده و الکترون از دست می دهند و نقره الکترون ها را جذب می کند. بنابراین انتقال الکترون ها از سمت روی و مس به سمت نقره خواهد بود.

کاربرد الکتروشیمی چیست؟

سلول های الکتروشیمیایی در تصفیه الکتریکی بسیاری از فلزات غیر آهنی استفاده می شوند. همچنین از آنها در الکترووینینگ این فلزات مورد استفاده قرار می گیرند. تولید سرب ، روی ، آلومینیوم و مس با خلوص بالا شامل استفاده از سلولهای الکترولیتی است.

همچنین سدیم فلزی را می توان با قرار دادن آن در سلول الکترولیتی و عبور جریان الکتریکی از کلرید سدیم مذاب ، استخراج کرد. بسیاری از باتری های مهم تجاری (مانند باتری سرب-اسید) از سلول های گالوانی تشکیل شده اند. سلولهای سوختی نیز طبقه مهمی از سلولهای الکتروشیمیایی هستند که به عنوان منبع انرژی پاک عمل می کند.