۱. مفاهیم اساسی الکتروشیمی
الکتروشیمی بر پایه واکنش‌های اکسایش و کاهش (ردوکس) استوار است که در آن انتقال الکترون بین گونه‌های شیمیایی رخ می‌دهد. این واکنش‌ها در دو نوع اصلی سلول‌های الکتروشیمیایی اتفاق می‌افتند:
- سلول‌های گالوانی (ولتائیک): واکنش‌های شیمیایی به تولید جریان الکتریکی منجر می‌شوند.
- سلول‌های الکترولیتی: انرژی الکتریکی برای انجام واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود.
۲. پتانسیل الکترودی و معادله نرنست
پتانسیل الکترودی نشان‌دهنده توانایی یک الکترود برای انجام واکنش‌های اکسایش-کاهش است و مقدار آن به شرایط محلول وابسته است. این مقدار از معادله نرنست محاسبه می‌شود:
E = E⁰ - (RT / nF) ln(Q)
که در آن:
Eپتانسیل الکترود در شرایط غیر استانداردE⁰پتانسیل استاندارد الکترودRثابت جهانی گازها (8.314 J/mol·K)Tدما بر حسب کلوینnتعداد الکترون‌های منتقل شدهFثابت فاراده (96485 C/mol)Qحاصل تقسیم غلظت‌های گونه‌های واکنش‌دهنده
۳. انواع سلول‌های الکتروشیمیایی
۳.۱. سلول گالوانی (ولتائیک)
در این سلول‌ها، واکنش خودبه‌خودی اکسایش-کاهش باعث تولید انرژی الکتریکی می‌شود. مثال معروف این نوع، سلول دانیل است که شامل الکترودهای مس و روی در محلول‌های مربوطه است.
۳.۲. سلول الکترولیتی
در این سلول‌ها، جریان الکتریکی برای انجام واکنش‌های شیمیایی غیراختیاری به کار می‌رود. نمونه مهم این سلول‌ها، فرایند الکترولیز آب است که در آن آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود.
۴. کاربردهای الکتروشیمی
- باتری‌ها و سلول‌های سوختی: تولید و ذخیره انرژی الکتریکی
- خوردگی و حفاظت از فلزات: جلوگیری از زنگ‌زدگی فلزات با روش‌هایی مانند حفاظت کاتدی
- الکترولیز و تولید مواد شیمیایی: استخراج فلزات و تولید کلر و هیدروژن
- بیوالکتروشیمی: کاربردهای زیستی مانند سنسورهای گلوکز در پزشکی
نتیجه‌گیری
الکتروشیمی یکی از شاخه‌های کلیدی شیمی است که در فناوری‌های مدرن، از تولید انرژی تا مهندسی مواد، نقش اساسی دارد. درک فرآیندهای الکتروشیمیایی برای توسعه فناوری‌های پایدار و بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی ضروری است.
