ما هي الكيمياء الكهربائية؟
الكيمياء الكهربائية (بالإنجليزيّة: Electrochemistry) هي فرع من فروع الكيمياء، والذي يهتم بدراسة الكهرباء ومدى ارتباطها بالتفاعلات والتغييرات الكيميائية التي تحدث تلقائيًا، وتقوم بإنتاج الطاقة الكهربائية ، ويتم استخدام بعض هذه التفاعلات في البطاريات، وخلايا الوقود لإنتاج الطاقة الكهربائية، وعلاوة على ذلك يمكن استخدام التيار الكهربائي لإحداث العديد من التفاعلات الكيميائية التي لا تحدث بشكل تلقائي في عملية تسمى التحليل الكهربائي (بالإنجليزيّة: electrolysis)، والتي يتم فيها تحويل الطاقة الكهربائية مباشرة إلى طاقة كيميائية ليتم تخزينها في نواتج التفاعل، وتستخدم هذه العملية في تكرير المعادن، والطلاء الكهربائي، وإنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء، كما يمكن توليد الكهرباء عن طريق حركات الإلكترونات من عنصر إلى آخر في تفاعل يُعرف باسم تفاعل الأكسدة والاختزال.
طرق إنتاج الكيمياء الكهربائية
استنادا لما سبق تمت معرفة التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على إدخال أو توليد التيارات الكهربائية تسمى التفاعلات الكهروكيميائية، وتمّ تصنيف طرق إنتاج الكيمياء الكهربائية إلى فئتين:
- طريقة التحليل الكهربائي.
- تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية.
كيفية إنتاج الكيمياء الكهربائية
يمكن إنتاج الكهرباء من خلال التفاعلات الكيميائية ، وذلك عندما تنتقل الإلكترونات من عنصر إلى آخر في أنواع معينة من التفاعلات وذلك مثل تفاعلات الأكسدة والاختزال، وفي الواقع عادةً ما تتعامل الكيمياء الكهربائية مع التفاعلات الكلية عندما تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال المتعددة في وقت واحد، ومتصلة عبر بعضها بتيار كهربائي خارجي ووجود الكهرل المناسب (بالإنجليزيّة: electrolyte) وهو عبارة عن محلول مائي يحتوي على أيونات حرة، وبالتالي فإنّ الكيمياء الكهربية تهتم بالظواهر الكيميائية التي تتضمن تفكك الشحنات ونقلها والذي يحدث بشكل متجانس أو غير متجانس بين الأنواع الكيميائية المختلفة.
ما هي الخلية الكهروكيميائية؟
تعدّ الخلية الكهروكيميائية (بالإنجليزيّة: Electrochemical Cell) بأنّها أحد مصادر التيار الكهربائي الذي ينتج الكهرباء، ويكون بفعل تفاعل كيميائي تتحول فيه الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، ولا بدّ من معرفة بأنّه العملية الكيميائية التلقائية هي العملية التي يمكن أن تحدث من تلقاء نفسها دون الحاجة لمصدر طاقة خارجي، وفي مثل هذه العملية تتناقص طاقة جيبس الحرة للنظام، وفي مقابل ذلك تكون العملية العكسية ممكنة حيث يحدث تفاعل كيميائي غير تلقائي عن طريق إمداده بالطاقة الخارجية، ويتم إجراء هذه التفاعلات في معدات تسمى الخلية الكهروكيميائية.
أنواع الخلية الكهروكيميائية
الخلية الكهروكيميائية تقسم إلى نوعين أساسيين، كما يلي:
الخلية الجلفانية
الخلية الجلفانية (بالإنجليزيّة: Galvanic Cell) وتقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، أي يمكن الحصول على الكهرباء بحدوث تفاعل الأكسدة والاختزال، وتحدث الأكسدة والاختزال في نصفين منفصلين، ويتكون كل نصف من محلول كهرلي يحتوي على أيون حر، وموصل معدني يعمل كقطب كهربائي، وفي الواقع يتسمى النصف الذي يحتوي على القطب والمحلول الكهرلي باسم نصف الخلية (بالإنجليزيّة: half cells).
ومن أشهر الأمثلة على الخلايا الجلفانية هي خلية دانييل وهي خلية كلفانية يستخدم فيها الزنك والنحاس لحدوث تفاعل الأكسدة والاختزال، كما يلي:
Zn (s) Cu (aq) → Zn Cu (s)
- نصف الأكسدة: Zn (s) → Zn 2e
- نصف الاختزال: Cu (aq) 2e → Cu (s)
السلسلة الكهروكيميائية
السلسلة الكهروكيميائية (بالإنجليزيّة: Electrochemical Series) أو ما تعرف باسم سلسلة النشاط الكيميائي وهي عبارة عن سلسلة تمّ إنشاؤها من جهد القطب القياسي، وذلك عن طريق قياس جهد الأقطاب المنفرد المختلفة في الظروف القياسية مقابل قطب الهيدروجين القياسي (SHE)، وبالتالي عندما يتم ترتيب الأقطاب الكهربائية سواءً أكانت المعادن وغير المعدنية التي تلامس أيوناتها على أساس قيم قدرة الاختزال القياسية أو إمكانات الأكسدة القياسية، فإن السلسلة الناتجة تسمى السلسلة الكهروكيميائية.
خلية التحليل الكهربائي
خلية التحليل الكهربائي (بالإنجليزيّة: The electrolytic cell) تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية، وذلك عن طريق غمس الأقطاب الكهربائية في محلول كهرلي يحتوي على الكاتيونات والأنيونات، وبعدها يتم إمداد التيار، وتتحرك الأيونات نحو أقطاب ذات قطبية معاكسة ويحدث الاختزال والأكسدة في وقت واحد.
ومن الأمثلة على التحليل الكهربائي هو تحليل لكلوريد الصوديوم المُذاب، حيث يتم إذابة كلوريد الصوديوم (فوق 801 درجة مئوية)، ويتم إدخال قطبين في المحلول، ومن ثمّ يتم تمرير تيار كهربائي عبر المحلول، وبالتالي فإنّ التفاعل الكيميائي الذي يحدث عند الأقطاب الكهربائية هو:
- ينتقل أيون الصوديوم إلى القطب السالب، حيث يكتسب أيون الصوديوم إلكترونًا واحدًا ويتحول إلى الصوديوم: Na e → Na
- تنتقل أيونات الكلوريد نحو القطب الموجب، حيث تفقد إلكترونًا واحدًا وتتأكسد إلى غاز الكلور: Cl → 1/2 Cl2 e
- والتفاعل العام هو تحليل كلوريد الصوديوم: 2NaCl→ 2Na(s) Cl2(g)
