آشنایی کامل با سری الکتروشیمیایی و محاسبه نیروی الکتروموتوری سلول‌های گالوانی

پتانسیل الکترودی چیست؟

پتانسیل الکترودی اختلاف پتانسیل بین یک الکترود فلزی و محلول یونی آن است. این مقدار بیانگر تمایل ماده به دریافت یا از دست دادن الکترون است.

پتانسیل استاندارد الکترودی (E°)

پتانسیل استاندارد الکترودی در شرایط استاندارد (دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد، غلظت ۱ مولار و فشار ۱ اتمسفر) اندازه‌گیری می‌شود و نسبت به الکترود استاندارد هیدروژن سنجیده می‌گردد.
E° الکترود هیدروژن = 0.00 ولت

سری الکتروشیمیایی

سری الکتروشیمیایی فهرستی از نیم‌واکنش‌های کاهش است که بر اساس مقدار پتانسیل استاندارد مرتب شده‌اند. این جدول به ما کمک می‌کند تا جهت واکنش‌های اکسایش-کاهش را پیش‌بینی کنیم.

جدول پتانسیل استاندارد الکترودی (چند مورد منتخب)

F2 + 2e- → 2F-                  E° = +2.87 V
MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O  E° = +1.51 V
Cl2 + 2e- → 2Cl-                E° = +1.36 V
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O           E° = +1.23 V
Ag+ + e- → Ag                   E° = +0.80 V
Fe3+ + e- → Fe2+                E° = +0.77 V
Cu2+ + 2e- → Cu                 E° = +0.34 V
H+ + e- → 1/2H2                 E° =  0.00 V
Pb2+ + 2e- → Pb                 E° = -0.13 V
Fe2+ + 2e- → Fe                 E° = -0.44 V
Zn2+ + 2e- → Zn                 E° = -0.76 V
Al3+ + 3e- → Al                 E° = -1.66 V
Na+ + e- → Na                   E° = -2.71 V
Li+ + e- → Li                   E° = -3.04 V

محاسبه نیروی الکتروموتوری (EMF)

نیروی محرکه الکتریکی سلول (EMF یا E_cell) با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

E_cell = E° کاتد - E° آند

نکته:

• در الکترود کاتد، واکنش کاهش رخ می‌دهد.
• در الکترود آند، واکنش اکسایش رخ می‌دهد.
• اگر E_cell > 0 باشد، واکنش خودبه‌خودی است.

مثال ۱: سلول Zn-Cu

نیم‌واکنش آند (اکسایش): Zn → Zn2+ + 2e-     E° = -0.76 V  
نیم‌واکنش کاتد (کاهش):  Cu2+ + 2e- → Cu     E° = +0.34 V  
محاسبه EMF:
E_cell = 0.34 - (-0.76) = 1.10 V

مثال ۲: سلول Fe-Ag

نیم‌واکنش آند (اکسایش): Fe → Fe2+ + 2e-     E° = -0.44 V  
نیم‌واکنش کاتد (کاهش):  Ag+ + e- → Ag       E° = +0.80 V  
محاسبه EMF:
E_cell = 0.80 - (-0.44) = 1.24 V

نکات مهم درباره سری الکتروشیمیایی

• هرچه E° یک نیم‌واکنش مثبت‌تر باشد، ماده تمایل بیشتری به کاهش دارد (اکسنده قوی‌تر).
• هرچه E° منفی‌تر باشد، ماده تمایل بیشتری به اکسایش دارد (کاهنده قوی‌تر).
• فلزاتی که در پایین جدول قرار دارند (مثل Zn، Al، Li)، تمایل زیادی به از دست دادن الکترون و شرکت در واکنش اکسایش دارند.

کاربردهای سری الکتروشیمیایی

 طراحی باتری‌ها و سلول‌های گالوانی
 پیش‌بینی جهت واکنش‌های شیمیایی
 تعیین قدرت اکسندگی یا کاهندگی مواد
 جلوگیری از خوردگی (مثلاً استفاده از روی برای محافظت آهن)
 بررسی واکنش‌های غیرخودبه‌خودی و نیاز به برق خارجی (الکترولیز)

جمع‌بندی نهایی

پتانسیل الکترودی و سری الکتروشیمیایی ابزارهایی حیاتی برای درک واکنش‌های اکسایش-کاهش هستند. با استفاده از این مفاهیم می‌توان به‌سادگی نیروی محرکه سلول‌ها را محاسبه کرده و جهت واکنش‌ها را تشخیص داد. این دانش در طراحی باتری‌ها، پیل‌های سوختی، و حتی جلوگیری از خوردگی در صنایع بسیار مهم و کاربردی است.