الکتروشیمی شاخه‌ای از شیمی فیزیک است که به مطالعه تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی و برعکس می‌پردازد. این علم کاربردهای گسترده‌ای در صنایع، از باتری‌های قابل شارژ تا فرآیندهای الکترولیز، دارد. در این مقاله، اصول اساسی الکتروشیمی و مفاهیم مرتبط بررسی می‌شود.
۱. رسانش فلزی و رسانش الکترولیتی
رسانش فلزی: در فلزات، جریان الکتریکی از طریق حرکت آزاد الکترون‌ها در شبکه فلزی منتقل می‌شود. این نوع رسانایی با افزایش دما کاهش می‌یابد زیرا برخوردهای بین الکترون‌ها و یون‌های شبکه بیشتر می‌شود.
رسانش الکترولیتی: در الکترولیت‌ها، جریان الکتریکی توسط یون‌های مثبت و منفی منتقل می‌شود. این نوع رسانایی در محلول‌های یونی و مواد مذاب اتفاق می‌افتد و برخلاف رسانایی فلزی، با افزایش دما معمولاً افزایش می‌یابد.
۲. الکترولیز و استوکیومتری الکترولیز
الکترولیز فرآیندی است که در آن انرژی الکتریکی برای انجام یک واکنش شیمیایی غیر خودبخودی استفاده می‌شود. مقدار ماده‌ای که در این فرآیند تغییر می‌کند، با قوانین فارادی محاسبه می‌شود:
- قانون اول فارادی: جرم ماده‌ای که در الکترود رسوب می‌کند، متناسب با مقدار بار الکتریکی عبوری است.
- قانون دوم فارادی: جرم‌های مواد مختلفی که با مقدار مشخصی از بار الکتریکی رسوب می‌کنند، متناسب با جرم مولی و تعداد الکترون‌های مبادله‌شده هستند.
۳. پیل‌های ولتایی و نیرو محرکه الکتریکی (EMF)
پیل ولتایی (گالوانی) دستگاهی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در این پیل‌ها، واکنش اکسایش-کاهش در دو نیم‌سلول انجام شده و جریان الکتریکی تولید می‌شود. نیرو محرکه الکتریکی (EMF) اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود یک پیل است و به غلظت‌های مواد واکنش‌دهنده بستگی دارد.
۴. پتانسیل الکترود و تغییر انرژی آزاد گیبس
پتانسیل الکترود، معیاری برای اندازه‌گیری تمایل یک الکترود به انجام واکنش اکسایش یا کاهش است. رابطه بین انرژی آزاد گیبس و EMF یک پیل به‌صورت زیر است: ΔG = -nFE
که در آن:
- ΔG تغییر انرژی آزاد گیبس (J/mol)
- n تعداد الکترون‌های مبادله‌شده
- F ثابت فارادی (C/mol)
- E پتانسیل سلول (V)
۵. اثر غلظت بر پتانسیل پیل و پیل‌های غلظتی
پیل‌های غلظتی نوعی از پیل‌های الکتروشیمیایی هستند که در آن‌ها هر دو نیم‌سلول از یک ماده ساخته شده‌اند، اما دارای غلظت‌های متفاوتی هستند. پتانسیل این پیل‌ها از معادله نرنست محاسبه می‌شود: E = E⁰ – (0.0591/n) log ([کاهش‌دهنده] / [اکسیدکننده])
۶. پتانسیل الکترودها و الکترولیز
در فرآیند الکترولیز، انتخاب الکترودها بر اساس پتانسیل استاندارد آن‌ها انجام می‌شود. در شرایطی که چندین یون حضور دارند، یون‌هایی که پتانسیل الکترود پایین‌تری دارند، زودتر واکنش می‌دهند. این اصل در تصفیه فلزات و تولید مواد شیمیایی کاربرد دارد.
۷. خوردگی آهن
خوردگی آهن، یک فرآیند الکتروشیمیایی ناخواسته است که باعث تخریب سازه‌های فلزی می‌شود. این فرآیند شامل اکسید شدن آهن در حضور آب و اکسیژن است:
Fe⁻ → Fe²⁺ + 2e
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
محصول نهایی، هیدروکسید آهن است که به مرور زمان به زنگ آهن (Fe₂O₃·xH₂O) تبدیل می‌شود.
۸. پیل‌های ولتایی تجاری و پیل‌های سوختی
امروزه، انواع مختلف پیل‌های ولتایی در باتری‌های قابل شارژ و غیرقابل شارژ استفاده می‌شوند:
- باتری لیتیوم-یونی: باتری‌های سبک و پرکاربرد در وسایل الکترونیکی.
- باتری سرب-اسید: مورد استفاده در خودروها.
- باتری نیکل-کادمیوم: دارای طول عمر بالا و مقاوم در برابر دشارژ عمیق.
پیل‌های سوختی نوعی پیل الکتروشیمیایی هستند که مستقیماً از واکنش بین سوخت و اکسیدکننده برق تولید می‌کنند. پیل‌های سوختی هیدروژنی یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها برای انرژی پاک محسوب می‌شوند: 2H₂ + O₂ → 2H₂O
نتیجه‌گیری
الکتروشیمی یکی از مهم‌ترین شاخه‌های شیمی است که کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد. از تولید برق در باتری‌ها گرفته تا حفاظت از فلزات در برابر خوردگی، درک مفاهیم الکتروشیمی به بهبود و توسعه فناوری‌های جدید کمک می‌کند.
