الامارات 7 - ما هي الكيمياء الكهربائية؟
الكيمياء الكهربائية (بالإنجليزية: Electrochemistry) هي فرع من فروع الكيمياء يركز على دراسة العلاقة بين الكهرباء والتفاعلات الكيميائية. هذه التفاعلات تُنتج الطاقة الكهربائية، وتستخدم في تطبيقات متعددة مثل البطاريات وخلايا الوقود. كما يُستخدم التيار الكهربائي في تفاعلات كيميائية تُعرف بالتحليل الكهربائي (بالإنجليزية: electrolysis)، حيث تُحوّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية، مما يسمح بتخزينها في نواتج التفاعل. تُستعمل هذه العملية في تكرير المعادن والطلاء الكهربائي وإنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء، وتنتج الكهرباء من حركات الإلكترونات بين العناصر في تفاعل يُسمى تفاعل الأكسدة والاختزال.
طرق إنتاج الكيمياء الكهربائية
استنادًا إلى التفاعلات الكيميائية التي تتضمن التيارات الكهربائية، تُصنف طرق إنتاج الكيمياء الكهربائية إلى نوعين رئيسيين:
التحليل الكهربائي.
تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية.
كيفية إنتاج الكيمياء الكهربائية
يمكن إنتاج الكهرباء من التفاعلات الكيميائية عندما تنتقل الإلكترونات من عنصر إلى آخر، خاصة في تفاعلات الأكسدة والاختزال. تتعامل الكيمياء الكهربائية عادةً مع التفاعلات الكلية التي تحدث في وقت واحد، حيث تكون متصلة عبر تيار كهربائي خارجي، ويكون هناك وجود للكهرل (بالإنجليزية: electrolyte)، وهو محلول مائي يحتوي على أيونات حرة. لذا، تركز الكيمياء الكهربائية على الظواهر التي تتعلق بتفكك الشحنات ونقلها بين الأنواع الكيميائية.
ما هي الخلية الكهروكيميائية؟
الخلية الكهروكيميائية (بالإنجليزية: Electrochemical Cell) هي مصدر للتيار الكهربائي الناتج عن تفاعل كيميائي يحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. التفاعلات الكيميائية التلقائية تحدث بدون الحاجة لمصدر طاقة خارجي، حيث تنخفض طاقة جيبس الحرة للنظام، في حين يمكن أن يحدث التفاعل العكسي عند توفير الطاقة الخارجية. تُجرى هذه التفاعلات في خلايا كهروكيميائية.
أنواع الخلية الكهروكيميائية
تقسم الخلايا الكهروكيميائية إلى نوعين أساسيين:
الخلية الجلفانية (بالإنجليزية: Galvanic Cell): تحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال. تحدث هذه التفاعلات في نصفين منفصلين، ويتكون كل نصف من محلول كهرلي يحتوي على أيونات حرة وموصل معدني يعمل كقطب كهربائي. من الأمثلة المشهورة على الخلايا الجلفانية هي خلية دانييل التي تستخدم الزنك والنحاس.
تفاعل الأكسدة والاختزال في خلية دانييل:
Zn (s)
+
Cu
2
+
(aq)
→
Zn
2
+
(aq)
+
Cu (s)
Zn (s)+Cu
2+
(aq)→Zn
2+
(aq)+Cu (s)
نصف الأكسدة:
-Zn (s)
→
Zn
2
+
+
2
الكيمياء الكهربائية (بالإنجليزية: Electrochemistry) هي فرع من فروع الكيمياء يركز على دراسة العلاقة بين الكهرباء والتفاعلات الكيميائية. هذه التفاعلات تُنتج الطاقة الكهربائية، وتستخدم في تطبيقات متعددة مثل البطاريات وخلايا الوقود. كما يُستخدم التيار الكهربائي في تفاعلات كيميائية تُعرف بالتحليل الكهربائي (بالإنجليزية: electrolysis)، حيث تُحوّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية، مما يسمح بتخزينها في نواتج التفاعل. تُستعمل هذه العملية في تكرير المعادن والطلاء الكهربائي وإنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء، وتنتج الكهرباء من حركات الإلكترونات بين العناصر في تفاعل يُسمى تفاعل الأكسدة والاختزال.
طرق إنتاج الكيمياء الكهربائية
استنادًا إلى التفاعلات الكيميائية التي تتضمن التيارات الكهربائية، تُصنف طرق إنتاج الكيمياء الكهربائية إلى نوعين رئيسيين:
التحليل الكهربائي.
تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية.
كيفية إنتاج الكيمياء الكهربائية
يمكن إنتاج الكهرباء من التفاعلات الكيميائية عندما تنتقل الإلكترونات من عنصر إلى آخر، خاصة في تفاعلات الأكسدة والاختزال. تتعامل الكيمياء الكهربائية عادةً مع التفاعلات الكلية التي تحدث في وقت واحد، حيث تكون متصلة عبر تيار كهربائي خارجي، ويكون هناك وجود للكهرل (بالإنجليزية: electrolyte)، وهو محلول مائي يحتوي على أيونات حرة. لذا، تركز الكيمياء الكهربائية على الظواهر التي تتعلق بتفكك الشحنات ونقلها بين الأنواع الكيميائية.
ما هي الخلية الكهروكيميائية؟
الخلية الكهروكيميائية (بالإنجليزية: Electrochemical Cell) هي مصدر للتيار الكهربائي الناتج عن تفاعل كيميائي يحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. التفاعلات الكيميائية التلقائية تحدث بدون الحاجة لمصدر طاقة خارجي، حيث تنخفض طاقة جيبس الحرة للنظام، في حين يمكن أن يحدث التفاعل العكسي عند توفير الطاقة الخارجية. تُجرى هذه التفاعلات في خلايا كهروكيميائية.
أنواع الخلية الكهروكيميائية
تقسم الخلايا الكهروكيميائية إلى نوعين أساسيين:
الخلية الجلفانية (بالإنجليزية: Galvanic Cell): تحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال. تحدث هذه التفاعلات في نصفين منفصلين، ويتكون كل نصف من محلول كهرلي يحتوي على أيونات حرة وموصل معدني يعمل كقطب كهربائي. من الأمثلة المشهورة على الخلايا الجلفانية هي خلية دانييل التي تستخدم الزنك والنحاس.
تفاعل الأكسدة والاختزال في خلية دانييل:
Zn (s)
+
Cu
2
+
(aq)
→
Zn
2
+
(aq)
+
Cu (s)
Zn (s)+Cu
2+
(aq)→Zn
2+
(aq)+Cu (s)
نصف الأكسدة:
-Zn (s)
→
Zn
2
+
+
2