ما هي الكيمياء الكهربائية

تتعامل الكيمياء الكهربية مع التفاعلات الكيميائية التي تنتج الكهرباء والتغيرات المرتبطة بمرور التيار الكهربائي عبر المادة ، تتضمن التفاعلات نقل الإلكترون ، وبالتالي فهي تفاعلات اختزال أكسدة ، ويمكن تنقية أو طلاء العديد من المعادن باستخدام طرق كهروكيميائية ، تستخدم الأجهزة مثل السيارات والهواتف الذكية والأجهزة اللوحية الإلكترونية والساعات وأجهزة تنظيم ضربات القلب وغيرها الكثير بطاريات الطاقة ،  تستخدم البطاريات تفاعلات كيميائية تنتج الكهرباء تلقائيًا ويمكن تحويلها إلى عمل مفيد ، تتضمن جميع الأنظمة الكهروكيميائية نقل الإلكترونات في نظام رد فعل ، وفي العديد من الأنظمة ، تحدث التفاعلات في منطقة تعرف باسم الخلية ، حيث يحدث انتقال الإلكترونات عند الأقطاب الكهربائية.

تاريخ الكيمياء الكهربائية

بدأت دراسة الكيمياء الكهربائية في القرن الثامن عشر ، وازدهرت حتى أوائل القرن العشرين  ثم تلاشت ، بسبب الاستخدام المفرط لمبادئ الديناميكا الحرارية في تحليل العمليات التي تحدث في نقاط النظام حيث تشكل الأجزاء المختلفة واجهات.

منذ عام 1950 خضعت الكيمياء الكهربية لتغيير ، كانت دراسة العمليات في المحاليل أقل إجهادًا ، لكن دراسة نقل الإلكترونات بين المعادن والحلول زادت بشكل كبير ، مع هذا التركيز الجديد أصبحت الكيمياء الكهربائية علمًا أساسيًا ، يعد بأن يكون جزءًا مهمًا من أساس مجتمع المستقبل الموجه نحو البيئة ، لأن الكهرباء ليست ملوثة ومع ذلك ، يجب الحد من التلوث المرتبط ببعض طرق توليد الكهرباء.

كانت أول تفاعلات كهروكيميائية تمت دراستها عام 1796 هي تلك الموجودة في خلية صفائح الفضة و


الزنك


مع ورق نشاف مبلل بمحلول ملحي مائي ، تم بناء هذه الخلايا من قبل العالم الإيطالي أليساندرو فولتا ، الذي سمي فولت ، كانت هذه الخلية أول بطارية أساسية تستخدم لإنتاج الكهرباء.

كانت الفترة من 1910 إلى 1950 فترة تراجع في الكيمياء الكهربائية ، حتى أصبحت محدودة بشكل أساسي بدراسة الحلول لم يكن هناك أي تقدم تقريبًا في فهم التفاعلات الكهروكيميائية خارج شروط التوازن والعكس ، وتم تطبيق المعرفة بها بشكل غير صحيح على التفاعلات التي تحدث بمعدل صافي أي أن التفاعلات ليست في حالة توازن ولا يمكن عكسها تمامًا.

حوالي عام 1960 ، بدأت الكهرباء في التطور كمجال متعدد التخصصات في البحث عن حلول لمشاكل مثل مصدر الطاقة في الرحلات الفضائية من خلايا الوقود ، واستقرار المعادن في البيئات الرطبة ، والجوانب الكهروكيميائية للوظائف البيولوجية ، والاستخراج من الخلائط واستبدال الوقود الأحفوري مثل الفحم والنفط ومنتجاتهما الثانوية بالكهرباء المنتجة أو المخزنة كهربيًا في وسائل النقل.

أنواع التفاعلات الكهروكيميائية

تفاعلات الأكسدة والاختزال

تفاعل الأكسدة البسيط هو تفاعل ينطوي على تغيير في الشحنة الكهربائية لحاملة الشحنة ، وعادة ما يكون أيون بسيط أو معقد في المحلول ، من خلال سحبه  إلكترون من القطب (الاختزال) أو إعطاء إلكترون إلى القطب (الأكسدة) ، قد يكون الناقل نفسه موجودًا في حل في حالتين من الشحن ، تسمى الشحنة الأعلى والأكثر إيجابية الحالة المؤكسدة ، وتسمى الشحنة الأقل والأقل إيجابية الحالة المخففة ، على سبيل المثال عندما تكون أيونات الحديديك والحديد موجودة في المحلول بكمية كبيرة ، وعندما يكون تبادل الإلكترونات مع القطب سريعًا بما فيه الكفاية ، يتم إنشاء توازن الأكسدة في القطب ، مما يمنحه إمكانات محددة جيدًا أو إمكانات اختزال عكسية.

التفاعلات التي تنتج الغازات

عندما تتفاعل أيونات الهيدروجين في المحلول مع الإلكترونات المنبعثة من المعدن ، تتشكل ذرات الهيدروجين على السطح ، حيث تتحد فيما بينها أو مع أيونات الهيدروجين والإلكترونات الأخرى لإعطاء جزيئات الهيدروجين الغازية ، إذا كانت جميع التفاعلات سريعة بما يكفي ، يتم تحقيق التوازن بين أيونات الهيدروجين والهيدروجين الغازي.

المعدن الملامس للحل الذي يوجد فيه مثل هذا الوضع يسمى قطب هيدروجين قابل للانعكاس ، ويتم اعتبار إمكاناته الكهربائية بشكل تعسفي صفرًا ، وبالتالي يمكن مقارنة كل قطب آخر به لأنه يمثل الأساس لتشكيل مقياس الهيدروجين لإمكانات القطب النسبية وبالمثل ، يمكن صنع أيونات الهيدروكسيل السالبة في المحلول (OH – ) للتخلي عن الإلكترونات إلى معدن ، وفي سلسلة من التفاعلات ، يكون الأخير هو تكوين الأكسجين الغازي ، الكلور منتج غازي آخر  يتطور عند الأكسدة الكهروكيميائية لأيونات الكلوريد في المحاليل المركزة للأملاح المحايدة والحمضية.

ردود الفعل التي ترسب وتحل المعادن

عندما يتم تقليل أيون معدني وتفريغه كذرة أو أنواع محايدة ، فإنه يميل إلى البناء في الشبكة المعدنية للقطب ، وبالتالي يمكن ترسيب المعادن في الأقطاب الكهربائية ،على العكس من ذلك ، إذا تم أخذ الإلكترونات بعيدًا عن القطب المعدني من خلال تطبيق إمكانات إيجابية عليه ، فإن الأيونات المعدنية المتكونة على هذا النحو يمكن أن تعبر الطبقة المزدوجة من الشحنة الكهربائية في الواجهة ، وتخضع للترطيب مع الماء وتدخل الحل ، وهكذا يذوب القطب المعدني ، تنشئ العديد من المعادن إمكانات كهربائية محددة جيدًا عندما تكون على اتصال مع أيوناتها في المحلول.

أكسدة وخفض المركبات العضوية

يمكن أيضًا إجراء تفاعل أكسدة واختزال المركبات العضوية عند الأقطاب الكهربائية ، ومع ذلك  فإن ردود الفعل هذه لا رجوع عنها في الغالب بالمعنى الحرفي أنها تؤدي إلى منتجات لا يمكن تحويلها بسهولة إلى المادة الأصلية.

الاستثناءات هي بعض المركبات المحتوية على الأكسجين والنيتروجين الكينونات والأمينات والمركبات النتروجية التي يمكن أن تعطي إمكانات عكسية محددة جيدًا.

تفاعلات كهروكيميائية معقدة

تتضمن العمليات الكهروكيميائية التي تم النظر فيها حتى الآن تفاعلات بسيطة لجسيم مع إلكترون واحد لإنتاج أيون مخفض على سبيل المثال أيون الحديد من الحديد مع شحنتين موجبتين ، Fe ++ أو العكس ،هذه هي عمليات الأكسدة الأيونية البسيطة ، حيث قد يكون الفرق الوحيد في البنية بين المتفاعل ومنتج التفاعل بسبب إعادة ترتيب جزيئات المذيب المجاورة ،عندما يترافق انتقال واحد أو أكثر من الإلكترونات بين القطب ونوع في المحلول بتغيرات هيكلية كبيرة على سبيل المثال ، عندما تتحول أيونات الهيدروكسيل ، OH – إلى جزيء من الأكسجين ، O 2 ، وجزيء الماء ، H 2O، في عملية تطور الأكسجين عند المصعد، أو القطب الموجب ، رد فعل وعادة ما تتألف من سلسلة من الأحداث ، ودعا أعمال الابتدائية أو خطوات وحدة تشكل في آلية رد الفعل ،عادةً ما تشتمل الحالات الوسيطة بين الخطوات على بعض الأنواع المتوسطة غير المستقرة ذات محتوى طاقة أعلى من تلك الخاصة بالمواد المتفاعلة أو منتجات التفاعل.

يمكن أن تتكون آليات التفاعل المعقد من عدد من خطوات نقل الإلكترون ، مع بعض الخطوات الكيميائية التي تسبق أو تنجح خطوات نقل الإلكترون أو تحدث بينهما.

معظم التفاعلات الكهروكيميائية العضوية معقدة حيث تتضمن أعدادًا كبيرة من الإلكترونات في التفاعل الكلي ، عادة ما تواجه خطوة واحدة في التفاعل أكبر حاجز للطاقة ، يحد معدل حدوث هذه الخطوة من معدل التفاعل الكلي أي ، يجب أن تحدث جميع الخطوات الأخرى بنفس المعدل الصافي ، على الرغم من أنها يمكن أن توفر تغييرًا عامًا أسرع بكثير.

تسمى هذه الخطوة بخطوة تحديد المعدل ، ولأغلب الأغراض العملية ، فإن جميع الخطوات المتوسطة قبل وبعدها يمكن اعتبارها في حالة توازن.[1]