ما هي الكيمياء الكهربائية
الكيمياء الكهربائية تتناول التفاعلات الكيميائية التي تنتج الكهرباء والتغيرات المصاحبة لمرور التيار الكهربائي في المادة. تشمل هذه التفاعلات نقل الإلكترونات، وبالتالي فهي تفاعلات أكسدة اختزال. يمكن تنقية المعادن وطلاؤها باستخدام طرق كهروكيميائية، وتستخدم الأجهزة مثل السيارات والهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والساعات وأجهزة تنظيم ضربات القلب وغيرها العديد من الأجهزة بطاريات لتخزين الطاقة. تستند هذه البطاريات على تفاعلات كيميائية تنتج الكهرباء تلقائيا ويمكن تحويلها إلى عمل مفيد. تشمل جميع الأنظمة الكهروكيميائية نقل الإلكترونات في نظام التفاعل، وفي العديد من الأنظمة، تحدث هذه التفاعلات في منطقة تسمى الخلية، حيث يتم نقل الإلكترونات عبر الأقطاب الكهربائية.
تاريخ الكيمياء الكهربائية
بدأت دراسة الكيمياء الكهربائية في القرن الثامن عشر وازدهرت حتى أوائل القرن العشرين، ثم تراجعت بسبب استخدام مبادئ الديناميكا الحرارية بشكل مفرط في تحليل العمليات التي تحدث في نقاط النظام وتشكل الواجهات بين الأجزاء المختلفة.
منذ عام 1950، تعرضت الكيمياء الكهربائية لتغييرات، حيث كانت دراسة العمليات في المحاليل أقل تركيزا، بينما زادت دراسة نقل الإلكترونات بين المعادن والمحاليل بشكل كبير. ومع هذا التركيز الجديد، أصبحت الكيمياء الكهربائية علما أساسيا وتعد جزءا هاما من أساس المجتمع المستقبلي الموجه نحو البيئة. فعلى الرغم من أن الكهرباء ليست ملوثة، يجب تقليل التلوث المرتبط ببعض طرق توليد الكهرباء.
في عام 1796، تمت دراسة أول تفاعلات كهروكيميائية في خلية صفائح الفضة والزنك مع ورق نشاف مبلل بمحلول ملحي مائي، وقد تم بناء هذه الخلايا من قبل العالم الإيطالي أليساندرو فولتا الذي سميت باسمه، وكانت هذه الخلية هي أول بطارية أساسية تستخدم لإنتاج الكهرباء
كانت الفترة من 1910 إلى 1950 فترة تراجع في الكيمياء الكهربائية ، حتى أصبحت محدودة بشكل أساسي بدراسة الحلول لم يكن هناك أي تقدم تقريبًا في فهم التفاعلات الكهروكيميائية خارج شروط التوازن والعكس ، وتم تطبيق المعرفة بها بشكل غير صحيح على التفاعلات التي تحدث بمعدل صافي أي أن التفاعلات ليست في حالة توازن ولا يمكن عكسها تمامًا.
في حوالي عام 1960، بدأت الكهرباء في التطور كمجال متعدد التخصصات يسعى لإيجاد حلول لمشاكل مثل مصدر الطاقة في الرحلات الفضائية باستخدام خلايا الوقود، واستقرار المعادن في البيئات الرطبة، والجوانب الكهروكيميائية للوظائف البيولوجية، واستخراج المكونات من الخلائط واستبدال الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط ومشتقاتهما الثانوية بالكهرباء المنتجة أو المخزنة كهربيا في وسائل النقل.
أنواع التفاعلات الكهروكيميائية
تفاعلات الأكسدة والاختزال
تفاعل الأكسدة البسيط هو تفاعل يتضمن تغييرا في شحنة حامل الشحنة، وعادة ما يكون ذلك أيونا بسيطا أو معقدا في المحلول، عن طريق سحب الإلكترونات من القطب (الاختزال) أو إعطاء الإلكترونات إلى القطب (الأكسدة). قد يكون الناقل نفسه موجودا في الحل في حالتين من الشحن، وتسمى الحالة ذات الشحنة الأعلى والأكثر إيجابية الحالة المؤكسدة، وتسمى الحالة ذات الشحنة الأقل والأقل إيجابية الحالة المخففة. على سبيل المثال، عندما تكون أيونات الحديد الثلاثي والحديد الثنائي موجودة في المحلول بكمية كبيرة، وعندما يتم تبادل الإلكترونات مع القطب بشكل سريع بما يكفي، يتم إنشاء توازن الأكسدة في القطب، مما يمنحه إمكانيات محددة بشكل جيد أو إمكانيات اختزال عكسية.
التفاعلات التي تنتج الغازات
عندما تتفاعل أيونات الهيدروجين في المحلول مع الإلكترونات المنبعثة من المعدن ، تتشكل ذرات الهيدروجين على السطح ، حيث تتحد فيما بينها أو مع أيونات الهيدروجين والإلكترونات الأخرى لإعطاء جزيئات الهيدروجين الغازية ، إذا كانت جميع التفاعلات سريعة بما يكفي ، يتم تحقيق التوازن بين أيونات الهيدروجين والهيدروجين الغازي.
تسمى الحالة التي يكون فيها المعدن المتلامس مع المحلول بمثل هذا الموقف بقطب الهيدروجين القابل للانعكاس. يتم اعتبار إمكانياته الكهربائية صفرا بشكل عشوائي، وبالتالي يمكن مقارنة أي قطب آخر به لأنه يمثل الأساس لتشكيل مقياس الهيدروجين لإمكانيات القطب النسبية. وبالمثل، يمكن تكوين أيونات الهيدروكسيل السالبة في المحلول (OH – ) عند تحرير الإلكترونات إلى المعدن، وفي سلسلة من التفاعلات، يكون آخرها تكوين الأكسجين الغازي والكلور كمنتج غازي آخر يتم تطويره عند التأكسد الكهروكيميائي لأيونات الكلوريد في المحاليل المركزة للأملاح المحايدة والحمضية.
ردود الفعل التي ترسب وتحل المعادن
عندما يتم تقليل أيون معدني وتفريغه كذرة أو أنواع محايدة ، فإنه يميل إلى البناء في الشبكة المعدنية للقطب ، وبالتالي يمكن ترسيب المعادن في الأقطاب الكهربائية ،على العكس من ذلك ، إذا تم أخذ الإلكترونات بعيدًا عن القطب المعدني من خلال تطبيق إمكانات إيجابية عليه ، فإن الأيونات المعدنية المتكونة على هذا النحو يمكن أن تعبر الطبقة المزدوجة من الشحنة الكهربائية في الواجهة ، وتخضع للترطيب مع الماء وتدخل الحل ، وهكذا يذوب القطب المعدني ، تنشئ العديد من المعادن إمكانات كهربائية محددة جيدًا عندما تكون على اتصال مع أيوناتها في المحلول.
أكسدة وخفض المركبات العضوية
يمكن أيضًا إجراء تفاعلات أكسدة واختزال المركبات العضوية عند الأقطاب الكهربائية، ومع ذلك، فإن هذه الردود الفعل لا يمكن التنبؤ بها بالمعنى الحرفي، حيث أنها في الغالب تؤدي إلى إنتاج منتجات لا يمكن تحويلها بسهولة إلى المادة الأصلية
تشمل الاستثناءات بعض المركبات التي تحتوي على الأكسجين والنيتروجين، مثل الكينونات والأمينات والمركبات النتروجية، والتي يمكن أن تتسبب في تفاعلات عكسية محددة جيدًا.
تفاعلات كهروكيميائية معقدة
تتضمن العمليات الكهروكيميائية التي تم النظر فيها حتى الآن تفاعلات بسيطة لجسيم مع إلكترون واحد لإنتاج أيون مخفض على سبيل المثال أيون الحديد من الحديد مع شحنتين موجبتين ، Fe ++ أو العكس ،هذه هي عمليات الأكسدة الأيونية البسيطة ، حيث قد يكون الفرق الوحيد في البنية بين المتفاعل ومنتج التفاعل بسبب إعادة ترتيب جزيئات المذيب المجاورة ،عندما يترافق انتقال واحد أو أكثر من الإلكترونات بين القطب ونوع في المحلول بتغيرات هيكلية كبيرة على سبيل المثال ، عندما تتحول أيونات الهيدروكسيل ، OH – إلى جزيء من الأكسجين ، O 2 ، وجزيء الماء ، H 2O، في عملية تطور الأكسجين عند المصعد، أو القطب الموجب ، رد فعل وعادة ما تتألف من سلسلة من الأحداث ، ودعا أعمال الابتدائية أو خطوات وحدة تشكل في آلية رد الفعل ،عادةً ما تشتمل الحالات الوسيطة بين الخطوات على بعض الأنواع المتوسطة غير المستقرة ذات محتوى طاقة أعلى من تلك الخاصة بالمواد المتفاعلة أو منتجات التفاعل.
يمكن أن تحتوي آليات التفاعل المعقدة على عدد من خطوات نقل الإلكترون، مع بعض الخطوات الكيميائية التي تسبق أو تنجح خطوات نقل الإلكترون أو تحدث بينها.
معظم التفاعلات الكهروكيميائية العضوية معقدة، حيث تتضمن أعدادا كبيرة من الإلكترونات في التفاعل الكلي. وعادة ما تكون خطوة واحدة في التفاعل هي الحاجز الأكبر للطاقة، وتحد من معدل حدوث هذه الخطوة وبالتالي معدل التفاعل الكلي. ولكن يمكن أن توفر هذه التفاعلات تغييرا عاما أسرع بكثير، على الرغم من أن جميع الخطوات الأخرى يجب أن تحدث بنفس المعدل الصافي.
تسمى هذه الخطوة خطوة تحديد المعدل، ولأغراض عملية معظمها، يمكن اعتبار جميع الخطوات الوسطى قبلها وبعدها في حالة توازن