سلول الکتروشیمیایی: نیروگاههای کوچک در جیب شما
سلول الکتروشیمیایی چیست و چگونه کار میکند؟
یک سلول الکتروشیمیایی، دستگاهی است که در آن انرژی شیمیایی با انجام یک واکنش شیمیایی، به انرژی الکتریکی تبدیل میشود . قلب این فرآیند، یک واکنش اکسایش و کاهش (ردوکس) است. در این واکنشها، انتقال الکترون بین مواد شیمیایی رخ میدهد. مادهای که الکترون از دست میدهد، اکسید میشود (و کاهنده نام دارد) و مادهای که الکترون میگیرد، کاهش مییابد (و اکسنده نام دارد) .
برای اینکه این انتقال الکترون بتواند جریان برق تولید کند، باید بهدرستی مدیریت شود. اینجاست که ایده نیمسلول۲ مطرح میشود. در یک سلول کامل، دو نیمسلول داریم. در یکی اکسایش و در دیگری کاهش رخ میدهد. این دو بخش با استفاده از یک مدار خارجی (مانند یک سیم) و یک پل نمکی به هم متصل میشوند . الکترونها از طریق مدار خارجی از نیمسلول اکسایش به نیمسلول کاهش جریان مییابند و همین جریان، الکتریسیته است. پل نمکی نیز با انتقال یونها بین دو نیمسلول، تعادل بار الکتریکی را برقرار نگه میدارد .
به عنوان مثال، در یک آزمایش معروف، اگر یک میله روی را در محلول سولفات مس قرار دهیم، روی اکسید شده و حل میشود و مس از محلول رسوب میکند. در این حالت تمام انرژی به صورت گرما آزاد میشود. اما اگر همین واکنش را در یک سلول الکتروشیمیایی با جدا کردن نیمواکنشها انجام دهیم، میتوانیم از جریان الکترونها برای روشن کردن یک لامپ کوچک استفاده کنیم .
واکنش کلی: $Zn(s) + Br_2(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2Br^-(aq)$
نیمواکنش اکسایش: $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$
نیمواکنش کاهش: $Br_2(aq) + 2e^- \rightarrow 2Br^-(aq)$ .
اجزای اصلی تشکیلدهنده یک سلول
هر سلول الکتروشیمیایی از بخشهای مشخصی تشکیل شده است. درک این اجزا، کلید فهمیدن چگونگی تولید برق است. این اجزا را میتوان در قالب یک نیمسلول (ترکیب یک الکترود و الکترولیت) و اتصالات آن خلاصه کرد .
| نام جزء | وظیفه و تعریف | مثال ملموس |
|---|---|---|
| آند (قطب منفی) | الکترودی که در آن واکنش اکسایش رخ میدهد. یعنی اتمها الکترون از دست داده و به صورت یون مثبت وارد محلول میشوند. الکترونها از آند وارد مدار خارجی میشوند. | میله روی (Zn) در باتری قلمی معمولی (آلکالاین) |
| کاتد (قطب مثبت) | الکترودی که در آن واکنش کاهش رخ میدهد. یعنی یونهای مثبت موجود در محلول، الکترون میگیرند و به صورت اتم خنثی روی الکترود رسوب میکنند. | ماده اکسید منگنز در باتری قلمی یا الکترود مس در سلول دانیل |
| الکترولیت | یک محیط رسانای یونی (معمولاً یک محلول یا خمیر) که حرکت یونها بین دو نیمسلول را ممکن میسازد و مدار داخلی را کامل میکند . | خمیر قلیایی در باتری قلمی یا محلول سولفات مس |
| پل نمکی یا دیافراگم | باعث اتصال فیزیکی و یونی دو نیمسلول میشود و با انتقال یونها، از انباشته شدن بار مثبت یا منفی در یک طرف جلوگیری کرده و جریان را ادامهدار میکند . | یک لوله U شکل حاوی ژل آگار و نمک (مانند KNO3) |
| مدار خارجی | مسیری مانند یک سیم که دو الکترود را به هم متصل میکند و اجازه میدهد الکترونها از آند به کاتد جریان یابند . | سیمهای داخل یک چراغ قوه که به باتری متصل است |
دو نوع اصلی: سلول گالوانی و سلول الکترولیتی
سلولهای الکتروشیمیایی بر اساس جهت تبدیل انرژی و خودبهخودی بودن واکنش، به دو دسته اصلی تقسیم میشوند که دقیقاً برعکس یکدیگر عمل میکنند .
سلول گالوانی (ولتاییک): این همان نوعی است که در باتریهای معمولی میبینیم. در این سلول، یک واکنش شیمیایی خودبهخودی رخ میدهد و انرژی آزاد شده به شکل الکتریسیته خارج میشود . وقتی شما یک باتری را در یک دستگاه قرار میدهید، واکنش داخل آن به طور طبیعی پیش میرود و برق تولید میکند. سلول روی-مس (سلول دانیل) یک مثال کلاسیک از این نوع است .
سلول الکترولیتی: در این نوع سلول، برعکس حالت قبل، ما الکتریسیته به سیستم وارد میکنیم تا یک واکنش شیمیایی غیر خودبهخودی را انجام دهد . به عبارت دیگر، از انرژی الکتریکی برای ایجاد تغییر شیمیایی استفاده میشود. فرآیند آبکاری فلزات (مثل طلاکاری یا کرومکاری) یا تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن، با استفاده از سلول الکترولیتی انجام میشود .
| ویژگی | سلول گالوانی (باتری) | سلول الکترولیتی |
|---|---|---|
| جهت تبدیل انرژی | شیمیایی → الکتریکی | الکتریکی → شیمیایی |
| خودبهخودی بودن واکنش | بله | خیر (با اعمال جریان انجام میشود) |
| قطببندی آند و کاتد | آند: قطب منفی کاتد: قطب مثبت |
آند: به قطب مثبت منبع متصل است. کاتد: به قطب منفی منبع متصل است. |
| نمونه کاربردی | باتری قلمی، باتری لپتاپ، سلول دانیل | آبکاری طلا، تصفیه مس، تولید آلومینیوم، شارژ باتری |
از آزمایشگاه تا زندگی: کاربردهای همهجانبه
سلولهای الکتروشیمیایی فقط محدود به کتابهای درسی نیستند. آنها نقش بسیار مهمی در فناوری و صنعت ایفا میکنند و زندگی مدرن بدون آنها قابل تصور نیست.
باتریها: سلولهای گالوانی پرکاربرد
همان باتری قلمی ساده، یک سلول گالوانی است. باتریهای لیتیوم-یونی که در تلفنهای همراه و خودروهای برقی استفاده میشوند، نمونههای پیشرفتهتری هستند . در این باتریها، در هنگام تخلیه (استفاده)، یونهای لیتیوم از آند به سمت کاتد حرکت کرده و الکترونها از مدار خارجی عبور میکنند و جریان برق ایجاد میشود . جالب است بدانید که در سال 2019 جایزه نوبل شیمی به توسعهدهندگان باتری لیتیوم-یونی اهدا شد .
الکترولیز و آبکاری: قدرت سلولهای الکترولیتی
وقتی یک قطعه جواهر را طلاکاری میکنند، از یک سلول الکترولیتی استفاده میشود. در این فرآیند، جسم مورد نظر به عنوان کاتد (متصل به قطب منفی منبع) قرار میگیرد و یک قطعه طلای خالص به عنوان آند (متصل به قطب مثبت) استفاده میشود. با عبور جریان برق، طلای آند به تدریج حل شده و به صورت یک لایه نازک و یکنواخت روی کاتد (جسم) مینشیند . این روش برای کرومکاری قطعات خودرو یا رویکاری (گالوانیزه) فولاد برای جلوگیری از زنگزدگی نیز به کار میرود.
تولید مواد صنعتی
برخی فلزات مهم مانند آلومینیوم خالص، عمدتاً از طریق فرآیند الکترولیز تولید میشوند . همچنین گازهای کلر و سود سوزآور (NaOH) که در صنایع مختلف کاربرد گستردهای دارند، از الکترولیز محلول آبنمک (NaCl) به دست میآیند .
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
سوال: آیا همیشه آند قطب منفی و کاتد قطب مثبت است؟ این موضوع گاهی باعث سردرگمی میشود.
پاسخ: خیر، این قاعده فقط برای سلول گالوانی (باتری در حال تولید برق) صادق است. در سلول گالوانی، آند قطب منفی و کاتد قطب مثبت است. اما در یک سلول الکترولیتی (مثل دستگاه آبکاری)، آند به قطب مثبت منبع خارجی وصل میشود و کاتد به قطب منفی. بنابراین بهترین راه برای شناسایی همیشگی آند و کاتد این است: آند همیشه محل اکسایش و کاتد همیشه محل کاهش است، بدون توجه به علامت قطب .
سوال: پل نمکی دقیقاً چه کاری انجام میدهد؟ آیا فقط دو محلول را به هم وصل میکند؟
پاسخ: نقش پل نمکی فراتر از یک اتصال ساده است. با پیشرفت واکنش در یک سلول گالوانی، مثلاً در سلول روی-مس، در نیمسلول آند (روی) یونهای مثبت ($Zn^{2+}$) افزایش مییابند و بار کلی آن مثبت میشود. در نیمسلول کاتد (مس)، یونهای مثبت ($Cu^{2+}$) مصرف میشوند و بار کلی آن منفی میشود. این عدم تعادل بار، جریان الکترونها را متوقف میکند. پل نمکی با انتقال یونها بین دو نیمسلول، این بارهای اضافی را خنثی کرده و اجازه میدهد جریان الکتریکی به طور پیوسته برقرار بماند .
سوال: باتریهای قابل شارژ چگونه کار میکنند؟ آیا آنها هم سلول گالوانی هستند هم الکترولیتی؟
پاسخ: دقیقاً! این یکی از زیباییهای شیمی است. یک باتری لیتیوم-یونی قابل شارکرا میتوان یک دستگاه دوکاره در نظر گرفت. هنگامی که از باتری استفاده میکنید (تخلیه)، مانند یک سلول گالوانی عمل میکند: یک واکنش خودبهخودی رخ داده و برق تولید میکند. هنگامی که باتری را به شارژر وصل میکنید، مانند یک سلول الکترولیتی عمل میکند: انرژی الکتریکی از منبع خارجی (شارژر) به آن وارد شده و واکنشهای شیمیایی را به عقب برمیگرداند و مواد اولیه را دوباره تولید میکند .
پاورقی
۱واکنش اکسایش و کاهش (ردوکس): به واکنشی شیمیایی که در آن انتقال الکترون بین گونههای شیمیایی رخ میدهد، گفته میشود. اکسایش از دست دادن الکترون و کاهش گرفتن الکترون است. (Redox Reaction)
۲نیمسلول (Half-Cell): بخشی از یک سلول الکتروشیمیایی کامل که از یک الکترود در تماس با یک الکترولیت تشکیل شده است و در آن تنها یک نیمواکنش (اکسایش یا کاهش) رخ میدهد .
۳پل نمکی (Salt Bridge): وسیلهای (معمولاً لولهای حاوی یک الکترولیت خنثی در ژل) که دو نیمسلول یک سلول گالوانی را به هم متصل کرده و با انتقال یونها، مدار داخلی را کامل و خنثی بودن بار الکتریکی را حفظ میکند .
۴سلول دانیل (Daniell Cell): یک سلول گالوانی ساده و تاریخی که از یک نیمسلول روی در سولفات روی و یک نیمسلول مس در سولفات مس تشکیل شده و پایه درک بسیاری از اصول باتریهاست .
۵الکترولیز (Electrolysis): فرآیندی که در آن با اعمال جریان الکتریکی از خارج، یک واکنش شیمیایی غیر خودبهخودی در یک سلول الکترولیتی انجام میشود .
