الكيمياء الكهربائية Electrochemistry

الكيمياء الكهربائية Electrochemistry

هي أحد فروع الكيمياء الذي يدرس التفاعلات الحاصلة على سطح الموصلات الكهربائية (الأقطاب المصنوعة من المعادن Electrodes) وأشباه الموصلات (Semiconductors) مثل الكرافيت والمحاليل الأيونية مثل الالكتروليتات Electrolytes. أو هو العلم الذي يدرس التحول المتبادل بين الطاقة الكيميائية والطاقة الكهربائية ضمن إطار تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تشكل قسماً كبيرا وهاماً جداً من التفاعلات الكيميائية ( تفاعلات الأكسدة والاختزال Reduction and oxidation reaction) وتختصر بـ Redox .

التفاعل الكهرو كيميائي Electrochemical reaction :

كل تفاعل يتم بفضل جهد كهربائي لدى مرور تيار كهربائي أو يولد جهداً كهربائياً أو تيار كهربائي. يسمى بالتفاعل الكهرو كيميائي Electro chemical reaction وتكون العملية الكهروكيميائية أما تفاعل اختزال بسبب جهد كهربائي موصل به من الخارج (كما في التحليل الكهربائي) أو ينشأ التيار الكهربائي من تفاعل كيميائي بين مواد مناسبة تكّون جهداً كهربائياً (كما في الخلية الكلفانية) أو البطاريات.

ملاحظة:

لا يعتبر مجرد انتقال الإلكترونات بين جزيئات أو أيونات أو ذرات من العمليات الكهروكيميائية، ولكن صيغة العمليات الكيميائية أنها تتميز بفصل مكان جريان تفاعل الأكسدة عن مكان جريان تفاعل الاختزال.

ملاحظة:

تحدث عملية الأكسدة والاختزال المميزة للكيمياء الكهربائية على السطح الفاصل بين القطب والالكتروليت.

ولهذا يمكن تعريف الكيمياء الكهربائية: بأنها علم العمليات التي تتم على الأسطح الفاصلة بين أطوار محتفلة أي بين قطب والكتروليت. ومن أهم تطبيقات الكيمياء الكهربائية هي:

أهم تطبيقات Electro chemistry

1- التطبيقات الحياتية.

2- التطبيقات التحليلية.

3- أنظمة الطاقة.

التطبيقات الحياتية:

1- تحضير غاز الهيدروجين من عملية التحليل الكهربائي للماء.

2- قياس الجهد الكهربائي مثال عليها قياس التيار والفولتية.

3- تحضير غاز الأوزون.

4- إنتاج المواد الكيميائية ومثال عليها اختزال أملاح المعادن لإنتاج المعادن عن طريق الكهربائي للأملاح المنصهرة، مثال عليها تحضير الليثيوم، والصوديوم، والكالسيوم، والبوتاسيوم، الألمنيوم.

_­

تطبيقات أنظمة الطاقة:

تحضير تيار كهربائي وعلى وجه الأخص للأجهزة المحمولة:

1- إنتاج الخلية الكلفانية.

2- البطاريات بأنواعها.

3- بطارية السيارات.

4-بطاريات الوقود.

الكهرباء: هو سيل من الإلكترونات ولهذا يجب ان يسير هذا السيل من الإلكترونات خلال مواد موصلة والتي بدورها تقسم إلى نوعين:

1- المعادن (الموصلات المعدنية) (Metal conductors).

2- المواد الإلكترونية: (Ionic Solutions محاليل أيونية).

الألكتروليت (الكهرل) Electrolyte:

هي أي مادة تحتوي على أيونات حرة  (عند تفككها) تشكل وسطاً ناقلاً للكهرباء، وتكون الإلكتروليتات أما على شكل محاليل (Aqueous Solutions ) مثال عليها المحلول المائي لحامض الكبريتيك الذي يتألف من أيــــونات الهيدروجين الموجبة وأيونات الكبريتات الســـالبة.

H₂SO₄⇋2H⁺+SO⁼₄

وقد تكون الألكتروليتات عبارة عن منصهرات (Melts) أو الكتروليتات (Solid) صلبة كما موجود في البطاريات الجافة.

الأمثلة على المواد الإلكترولية NaCl  الملح العادي والذي يصنف ضمن الكلوريدات، الكبريتات SO₄ والنترات NO₃

NaCl ⇌ Na⁺+Cl^-

التحليل الكهربائي Electrolysis  :

يمكننا ان نفسر آلية المحلول الإلكتروليتي الذي يوصل التيار الكهربائي على هذه الصورة. فإنه يجب ان يكون لدينا خلية كهربائية كما في الشكل (1) تحتوي على محلول الكتروليتي بالإضافة إلى قطبين من البلاتين الخامل مغموسين في المحلول ومتصلات بدائرة خارجية ببطارية ليكي يمكن ان تعود الشحنة الكهربائية إلى بدايتها. فالقطب (B) متصل بالطرف السالب بالبطارية حيث الإلكترونات بواسطته تدخل المحلول وتحدث عملية الاقتران ويسمى بالقطب الموجب (الكاثود) والقطب (A) متصل بالطرف الموجب في البطارية وعنده تتحرر الإلكترونات تاركة المحلول لتعود إلى البطارية وعنده تحدث عملية الأكسدة، ويسمى بالقطب السالب (Anode) وطبقاً لنظرية ارينيوس لتفكك الإلكتروني (الموصل الإلكتروني) الذي يجب ان يحتوي الأيونات (+) الموجبة الكاتيون والأيونات السالبة (-) الانيون والتي تكون في حالة حركة مستمرة، والأيون الموجب يمكن أن يكون معدن أو ايون هيدروجين، بينما الأيون السالب يمكن ان يكون أيون هالوجين أو أيون هيدروكسيل، وعند غلق الدائرة سوف يمر تيار خلال المحلول. والكاتيونات تميل ان تتحرك تجاه الكاثود وعنده تحدث عملية التعادل تاركة المعدن أو الهيدروجين عند سطح الكاثود (عملية اختزال), وفي المقابل الانيونات التي تتحرك في الاتجاه المعاكس إلى الأنود، وعند هذا القطب تتحرك الإلكترونات تاركة المواد فاقدة الشحنة والتي تظهر على هيئة هالوجينات حرة أو على هيئة أوكسجين (عملية الأكسدة).

تشمل سريان الكهرباء خلال موصل على انتقال الإلكترونات من منطقة الجهد السالب الأكبر إلى المنطقة الأقل، ( ميكانيكية انتقال الإلكترونات للمحلول الألكتروليتي يجب ان يكون لدينا خلية كهربائية كما في الشكل(1) يحتوي على محلول الكتروليتي بالإضافة إلى قطبين من البلاتين  الخامل مغموسين في المحلول الإلكتروليتي ومتصلان بدائرة خارجة ببطارية وعند تسليط جهد ثاني ذو فولتية معينة يلاحظ حدوث تفاعلات كيميائية على كلا القطبين فعند ذلك تحدث عملية التحليل الكهربائي electrolysis , ويطلق على القطب ذو الشحنة الموجبة أي القطب الذي له شحنة أو نقصان بالإلكترونات عند تسليط الجهد بالأنود anode والقطب ذو الشحنة السالبة أي بمعنى آخر كمية فائضة من الإلكترونات يدعى بالكاثود Cathode وبذلك تشتمل الأقطاب على موصلات تكون مصعداً ومهبطاً للإلكترونات في  المحلول. وتستخدم عادة أقطاب خاملة مثل أسلاك البلاتين التي تكون وسيلة فقط لنقل الإلكترونات من والى المحلول حيث لا تشترك هذه الأقطاب بالتفاعلات، وطبقاً لنظرية ارينيوس  لتفكك الإلكترونات (الموصل الإلكتروليتي) يجب ان يحتوي على أيونات موجبة كاتيون cations وأيونات سالبة انيون anions  وهي تكون في حالة حركة مستمرة وحرة ,والأيون الموجب قد يكون معدن أو أيون هيدروجين H أما الأيون السالب يمكن أن يكون هالوجين x  وقد يكون أيون هيروكسيد OH والكاتيونات تميل ان تتحرك نحو الكاثود (القطب السالب) أما الأنيونات فإنها تميل الى التحرك نحو الأنود (القطب الموجب) عندما تصل الكاتيونات (المعدن) أي الكاثود فإنه تكسب الإلكترونات وتحدث عملية التعادل تاركة المعدن أو الهيدروجين على سطح الكاثود ( عملية اختزال   Reduction Reaction)

أما الأيونات السالبة الانيون كا الهالوجينات فإنها تتحرك نحو الأنود وتحدث عملية الأكسدة (oxidation ) تاركة الانود فاقدة الشحنة التي تظهر على هيئة هالوجينات حرة او O₂ .

المصادر

• أساسيات الكيمياء الفيزيائية، أد. عبد العليم سليمان. أ. د. فاطمة حافظ كمال.
• الكيمياء الفيزيائية.د.مسلم عبد محمد (موجود في مجانية التعليم).
• الكيمياء الكهربائية. أدمون ميخائيل حنا.
• الحركيات والكيمياء الكهربائية. د. عبد المجيد محمد الدباغ.

• Harris, William; Levey, Judith, eds. (1975). The New Columbia Encyclopedia (4th ed.). New York City: Columbia University. p. 155. ISBN 978-0-231035-729.