واکنش های الکتروشیمیایی چه زمانی رخ می دهد؟

واکنش‌های الکتروشیمیایی زمانی رخ می‌دهند که انرژی شیمیایی از طریق انتقال الکترون در سطح مشترک بین الکترود و الکترولیت به انرژی الکتریکی یا بالعکس تبدیل می‌شود. این واکنش ها در هر سیستمی انجام می شود که در آن جریان الکتریکی یک تغییر شیمیایی ایجاد می کند یا در آن واکنش های شیمیایی الکتریسیته تولید می کنند.

Electrochemical Reactions

واکنش های الکتروشیمیایی به سه عنصر اساسی نیاز دارند که با هم کار کنند. یک رسانای الکترون به عنوان الکترودی عمل می کند که در آن واکنش ها در سطح اتفاق می افتد. یک هادی یونی-معمولاً یک محلول الکترولیت حاوی یون‌های محلول-به بار اجازه می‌دهد بین الکترودها جریان یابد. یک مدار کامل این اجزا را به هم متصل می کند و حرکت الکترون را از طریق یک مسیر خارجی امکان پذیر می کند.

واکنش به طور خاص در رابط الکترول-الکترولیت، فقط در چند آنگستروم از سطح هادی رخ می دهد. این ناحیه واکنش باریک به این دلیل وجود دارد که الکترون‌ها فقط در رساناهای الکترونیکی مانند فلزات متحرک باقی می‌مانند، در حالی که یون‌ها بار را از طریق الکترولیت حمل می‌کنند.

سلول های گالوانیکی واکنش های الکتروشیمیایی را نشان می دهند که به طور خود به خودی برای تولید الکتریسیته رخ می دهند. در این سیستم ها، اکسیداسیون در آند اتفاق می افتد در حالی که کاهش در کاتد اتفاق می افتد. اختلاف پتانسیل شیمیایی بین این دو نیمه-واکنش، الکترون ها را در مدار خارجی هدایت می کند.

تخلیه باتری نمونه ای از این فرآیند خود به خودی است. هنگامی که از باتری‌های لیفتراک استفاده می‌کنید، واکنش‌های شیمیایی بین مواد الکترود و الکترولیت، الکترون‌هایی را آزاد می‌کنند که موتور را تغذیه می‌کنند. انواع اسیدهای سرب از دی اکسید سرب و صفحات سرب اسفنجی غوطه ور در اسید سولفوریک استفاده می کنند و واکنش الکتروشیمیایی انرژی شیمیایی ذخیره شده را به نیروی الکتریکی مورد نیاز برای عملیات بلند کردن تبدیل می کند.

سلول دانیل این اصل را به وضوح نشان می دهد. فلز روی در یک الکترود اکسید می‌شود و الکترون‌هایی را آزاد می‌کند که از طریق سیم جریان می‌یابند تا یون‌های مس را در الکترود دیگر کاهش دهند. این جریان الکترون جریان الکتریکی را تشکیل می دهد و تا زمانی که واکنش دهنده ها تخلیه شوند یا سیستم به تعادل برسد ادامه می یابد.

سلول‌های الکترولیتی سناریوی معکوس واکنش‌های الکتروشیمیایی- را نشان می‌دهند که خود به خود رخ نمی‌دهند اما برای ادامه به ولتاژ اعمال شده نیاز دارند. انرژی الکتریکی خارجی، تبدیلات شیمیایی غیرخود به خودی- را وادار می کند.

شارژ باتری قابل شارژ این اصل را نشان می دهد. وقتی یک باتری سرب-اسیدی را به شارژر متصل می‌کنید، ولتاژ اعمال شده واکنش‌های تخلیه را معکوس می‌کند. سولفات سرب دوباره به دی اکسید سرب و سرب اسفنجی تبدیل می شود، در حالی که غلظت اسید سولفوریک در الکترولیت افزایش می یابد. انرژی الکتریکی ورودی پتانسیل شیمیایی را بازسازی می کند که بعداً تجهیزات شما را تغذیه می کند.

الکترولیز آب مثال واضح دیگری را ارائه می دهد. اعمال ولتاژ کافی در الکترودهای غوطه ور در آب، مولکول های H2O را به گازهای هیدروژن و اکسیژن تقسیم می کند. ولتاژ مورد نیاز باید از اختلاف پتانسیل شیمیایی بین واکنش‌های اکسیداسیون و کاهش نیمی بیشتر شود.

آبکاری صنعتی به این مکانیسم واکنش اجباری متکی است. جریان الکتریکی یون‌های فلزی را از محلول به یک جسم رسانا هدایت می‌کند و یک پوشش محافظ یا تزئینی را از طریق یک فرآیند الکتروشیمیایی ایجاد می‌کند که بدون انرژی اعمال شده اتفاق نمی‌افتد.

واکنش های الکتروشیمیایی حساسیت دما قابل توجهی را نشان می دهد. اکثر باتری ها به طور بهینه بین 0 تا 45 درجه کار می کنند و عملکرد آنها در خارج از این محدوده کاهش می یابد. دمای سرد مقاومت داخلی را افزایش می دهد، حرکت یون را از طریق الکترولیت کند می کند و توان خروجی را کاهش می دهد. یک باتری سرب-اسید 50 درصد ظرفیت خود را در -20 درجه از دست می‌دهد، در حالی که باتری‌های لیتیوم یونی تنها با 20 درصد کاهش ظرفیت در همان دما، عملکرد بهتری را حفظ می‌کنند.

گرما تخریب شیمیایی را تسریع می کند، اما همچنین می تواند سینتیک واکنش را در محدوده ایمن سرعت بخشد. با این حال، گرمای بیش از حد بالای 60 درجه، خطر فرار حرارتی در باتری‌های لیتیومی را به همراه دارد، جایی که واکنش‌های گرمازا به خودی خود-خطرناک می‌شوند. طبیعت وابسته به دما به این معنی است که واکنش‌های الکتروشیمیایی در دماهای متوسط که در آن تحرک یون‌ها بدون تحریک تجزیه بالا باقی می‌ماند، راحت‌تر رخ می‌دهد.

غلظت الکترولیت به طور قابل توجهی بر سرعت واکنش تأثیر می گذارد. در باتری‌های سرب-اسید، وزن مخصوص اسید سولفوریک در هنگام تخلیه تغییر می‌کند و از حدود 1.27 در هنگام شارژ کامل به کمتر از 1.10 در هنگام تخلیه می‌رسد. این کاهش غلظت واکنش الکتروشیمیایی را کند می کند تا زمانی که اسید کافی برای انتقال الکترون موثر باقی بماند.

Electrochemical Reactions

واکنش های الکتروشیمیایی زمانی رخ می دهد که سیستم دارای پتانسیل الکتریکی کافی برای انتقال الکترون باشد. معادله نرنست این رابطه را کمی نشان می‌دهد و نشان می‌دهد که چگونه پتانسیل سلول به غلظت واکنش‌دهنده، دما و پتانسیل الکترود استاندارد مواد درگیر بستگی دارد.

پتانسیل های استاندارد الکترود تعیین می کنند که کدام واکنش ها خود به خود ادامه می یابند. موادی که پتانسیل استاندارد منفی‌تری دارند، به آسانی الکترون‌ها را اهدا می‌کنند و آن‌ها را آندهای مناسب می‌سازند. آنهایی که مقادیر مثبت بیشتری دارند، الکترون ها را می پذیرند که به عنوان کاتد عمل می کنند. تفاوت بین این پتانسیل‌ها، ولتاژ سلول را-نیروی محرک واکنش را تعیین می‌کند.

هنگامی که یک سلول ولتایی تخلیه می شود، با تغییر غلظت واکنش دهنده، پتانسیل سلول به تدریج کاهش می یابد. این واکنش تا زمانی ادامه می یابد که سیستم به تعادل برسد، در این نقطه پتانسیل به صفر می رسد و جریان الکترونی خالص رخ نمی دهد. قبل از این حالت تعادل، واکنش الکتروشیمیایی با سرعتی متناسب با چگالی جریان پیش می‌رود.

واکنش‌های الکتروشیمیایی واقعی اغلب به ولتاژ بیش از حد{0}}اضافی فراتر از حداقل ترمودینامیکی نیاز دارند. این انرژی اضافی بر موانع فعال سازی برای انتقال الکترون و محدودیت های انتقال جرم غلبه می کند. مازاد پتانسیل با نوع واکنش، ماده الکترود و چگالی جریان متفاوت است.

واکنش‌های سریع با مازاد پتانسیل کم با حداقل ولتاژ اضافی به طور موثر انجام می‌شوند. واکنش های کند نیاز به پتانسیل مازاد قابل توجهی برای دستیابی به جریان عملی دارند. این توضیح می دهد که چرا برخی از فرآیندهای الکترولیتی به ولتاژهای بسیار بالاتری نسبت به محاسبات نظری نیاز دارند.

واکنش‌های الکتروشیمیایی دستگاه‌ها و فرآیندهای بی‌شماری را نیرو می‌دهند. باتری های اولیه در چراغ قوه و کنترل از راه دور متکی به واکنش های برگشت ناپذیری هستند که تا زمانی که واکنش دهنده ها تخلیه شوند، الکتریسیته تولید می کنند. باتری‌های ثانویه در وسایل نقلیه و وسایل الکترونیکی از واکنش‌های برگشت‌پذیر استفاده می‌کنند که امکان چرخه‌های تخلیه مکرر- را فراهم می‌کنند.

پیل سوختی یک کاربرد منحصر به فرد است که در آن واکنش های الکتروشیمیایی سوخت را مستقیماً به الکتریسیته با راندمان بالا تبدیل می کند. هیدروژن در آند اکسید می شود در حالی که اکسیژن در کاتد کاهش می یابد و تنها آب را به عنوان محصول جانبی تولید می کند. برخلاف باتری‌ها، پیل‌های سوختی برای حفظ واکنش به سوخت مداوم نیاز دارند.

خوردگی نمونه ای از واکنش های الکتروشیمیایی ناخواسته است که به طور خود به خود در تماس فلز با رطوبت و اکسیژن رخ می دهد. زنگ آهن از طریق واکنش‌های اکسیداسیون در مکان‌های آندی شکل می‌گیرد، با جریان الکترون به مناطق کاتدی که در آن اکسیژن کاهش می‌یابد. درک این مکانیسم های الکتروشیمیایی به مهندسان کمک می کند تا پوشش های محافظ و آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی- تولید کنند.

الکتروشیمی صنعتی فرآیندهای تولید-در مقیاس بزرگ را ممکن می‌سازد. تولید آلومینیوم به الکترولیز اکسید آلومینیوم مذاب، با استفاده از جریان های عظیم برای کاهش یون های آلومینیوم متکی است. فرآیند کلرآلکالی، آب نمک را برای تولید گاز کلر و هیدروکسید سدیم، که هر دو مواد شیمیایی صنعتی حیاتی هستند، الکترولیز می کند.

Electrochemical Reactions

سرعت واکنش الکتروشیمیایی به چندین عامل به هم پیوسته بستگی دارد. چگالی جریان-جریان در واحد سطح الکترود-مستقیماً با سرعت واکنش مطابق با قوانین فارادی ارتباط دارد. چگالی جریان بالاتر به معنای انتقال الکترون های بیشتر در ثانیه است و تبدیل شیمیایی را تسریع می کند.

انتقال جرم بسیاری از واکنش های الکتروشیمیایی را محدود می کند. واکنش دهنده ها باید به سطح الکترود برسند و محصولات برای حفظ گرادیان غلظت باید دور شوند. انتشار، مهاجرت و همرفت بر این فرآیندهای حمل و نقل حاکم است. هم زدن الکترولیت یا طراحی جریان{3}}از طریق سلول ها، انتقال جرم را بهبود می بخشد و سرعت واکنش قابل دستیابی را افزایش می دهد.

مساحت سطح الکترود اهمیت قابل توجهی دارد. سطوح بزرگتر مکان های بیشتری را برای انتقال الکترون فراهم می کند و جریان کل بالاتری را در چگالی جریان یکسان ممکن می کند. این توضیح می‌دهد که چرا الکترودهای باتری از ساختارهای متخلخل با نسبت سطح-به حجم{3} بالا استفاده می‌کنند، و رابطی را که در آن واکنش‌ها رخ می‌دهند به حداکثر می‌رسانند.

خود ماده الکترود از طریق اثرات کاتالیزوری بر سینتیک واکنش تأثیر می گذارد. برخی از مواد انرژی فعال سازی را برای واکنش های خاص کاهش می دهند و به آنها اجازه می دهد تا با پتانسیل اضافی کم به سرعت پیش بروند. پلاتین اکسیداسیون هیدروژن و کاهش اکسیژن را به طور موثر کاتالیز می کند و علیرغم هزینه آن برای الکترودهای پیل سوختی ارزشمند است.

واسط الکترود{0}}دارای ساختار پیچیده ای به نام لایه دوگانه الکتریکی است. این ناحیه بار را در چند نانومتر متمرکز می کند و میدان های الکتریکی شدیدی را ایجاد می کند که به 107 V/cm می رسد. لایه دوگانه مانند یک خازن عمل می کند و باری را ذخیره می کند که بر سینتیک واکنش الکتروشیمیایی تأثیر می گذارد.

یون های موجود در محلول خود را نزدیک سطح الکترود باردار جهت می دهند. کاتیون ها در نزدیکی الکترودهای منفی جمع می شوند، در حالی که آنیون ها در الکترودهای مثبت متمرکز می شوند. این آرایش یونی بار الکترود را غربال می کند و روی گونه هایی که می توانند برای واکنش به سطح برسند تأثیر می گذارد. ساختار دو لایه به طور دینامیکی با تغییر پتانسیل الکترود تغییر می کند و بر مسیرها و سرعت واکنش تأثیر می گذارد.

درک اثرات دو لایه برای بهینه سازی سیستم های الکتروشیمیایی بسیار مهم است. محققان این پدیده‌های نانومقیاس را برای طراحی الکترودهای باتری بهتر، بهبود مقاومت در برابر خوردگی و توسعه الکتروکاتالیست‌های کارآمدتر مطالعه می‌کنند. لایه دوگانه محل برخورد شیمی سطح مولکولی با پدیده های الکتریکی ماکروسکوپی را نشان می دهد.

سلول های گالوانیکی از واکنش های شیمیایی خود به خود، مانند تخلیه باتری ها، الکتریسیته تولید می کنند. سلول‌های الکترولیتی از انرژی الکتریکی اعمال‌شده برای انجام واکنش‌های غیرخودبه‌خودی-مانند شارژ کردن باتری‌ها یا آبکاری الکتریکی استفاده می‌کنند. تمایز اصلی این است که آیا واکنش به طور طبیعی رخ می دهد (گالوانیکی) یا نیاز به نیروی خارجی (الکترولیتی) دارد.

بله، اگرچه کمتر رایج است. باتری‌های حالت جامد از الکترولیت‌های جامد استفاده می‌کنند که یون‌ها را در ساختار کریستالی خود هدایت می‌کنند. پیل‌های سوختی اکسید جامد با دمای بالا از الکترولیت‌های سرامیکی استفاده می‌کنند. حتی برخی از گازها می توانند تحت شرایط خاص به عنوان الکترولیت عمل کنند. با این حال، الکترولیت های مایع به دلیل هدایت یونی برتر، رایج ترین باقی می مانند.

در حالت تعادل، سرعت واکنش رو به جلو و معکوس دقیقاً متعادل می شود. هیچ تغییر شیمیایی خالصی رخ نمی دهد، بنابراین هیچ الکترونی در مدار جریان نمی یابد. پتانسیل سلول به صفر می رسد زیرا سیستم به پایین ترین حالت انرژی خود رسیده است. افزودن واکنش دهنده ها یا اعمال ولتاژ خارجی می تواند واکنش را دوباره شروع کند.

دماهای بالاتر به طور کلی سرعت واکنش را با تسریع حرکت یون و کاهش موانع انرژی فعال سازی افزایش می دهد. با این حال، گرمای بیش از حد می تواند به اجزای باتری آسیب برساند یا باعث واکنش های فرار شود. دمای سرد واکنش ها را به طور چشمگیری کند می کند و توان خروجی را کاهش می دهد. هر سیستم الکتروشیمیایی دارای محدوده دمایی بهینه برای حداکثر عملکرد است.

واکنش‌های الکتروشیمیایی، شیمی و مهندسی برق را به روش‌هایی پیوند می‌دهند که به طور مداوم زندگی روزمره ما را تحت تأثیر قرار می‌دهند. این فرآیندهای انتقال الکترون در سطوح الکترود، از باتری موجود در تلفن هوشمند شما گرفته تا پوشش ضد خوردگی روی سازه‌های فلزی، فناوری مدرن را ممکن می‌سازد. واکنش‌ها زمانی رخ می‌دهند که ترکیب مناسبی از الکترودها، الکترولیت و نیروی محرکه شیمیایی یا ولتاژ اعمال شده با هم-تبدیل انرژی بین اشکال شیمیایی و الکتریکی با کارایی ظریفی انجام شود.

Electrochemical Reactions