تطبيقات على الخلايا الكهروكيميائية: إنتاج الكهرباء ودفع التفاعل

الخلايا الجلفانية: التفاعل يوفر الطاقة

يحدث تفاعل أكسدة واختزال تلقائي تحت شروطه في الخلية الجلفانية. فصل نصفي التفاعل يسمح بانتقال الإلكترونات عبر دائرة خارجية بدل انتقالها المباشر بين المتفاعلات. تحدث الأكسدة عند الأنود والاختزال عند الكاثود، ويحافظ انتقال الأيونات في الوسط على توازن الشحنة. ^[1]

وفي البطارية المعدة للاستعمال، يحدد اختيار المواد والبنية خصائصها. لا نستنتج السعة أو العمر من كلمة «جلفانية» وحدها. كما أن التلقائية لا تعني طاقة بلا مصدر؛ الطاقة مرتبطة بالتغير الكيميائي. ^[1][3]

الخلايا التحليلية: الكهرباء تدفع التغير

يطبق مصدر خارجي جهدًا يدفع تفاعلًا غير تلقائي في عملية التحليل الكهربائي. من استعمالاتها الطلاء الفلزي وإعادة شحن بطاريات قابلة للشحن. الشحن يدفع تغيرًا يعيد تركيبًا كيميائيًا ملائمًا للتفريغ لاحقًا، ولا يعني إمكان إعادة شحن كل نوع من البطاريات. ^[2][3]

في الخلية الجلفانية يكون الأنود سالبًا والكاثود موجبًا؛ وفي التحليلية تنعكس الإشارتان. ^[6]

لكن التعريف ثابت: الأنود موضع الأكسدة والكاثود موضع الاختزال. احفظ العملية قبل الإشارة. ^[1]

الطلاء الكهربائي: أيون يكتسب إلكترونات

في الطلاء يكون الهدف تكوين طبقة فلزية على جسم مناسب. نصف تفاعل اختزال النحاس الثنائي هو Cu²⁺+2e⁻→Cu(s). يحتاج كل أيون نحاس من هذا النوع إلى إلكترونين، ويكون الترسيب عند الكاثود؛ لا تكفي تسمية محلول موصل لضمان أي طلاء نريده. ^[1][2][5]

لنعد ثلاثة أيونات Cu²⁺ في نموذج تعليمي: مجموع شحنتها +6 بوحدة الشحنة الابتدائية. مع ستة إلكترونات مجموع شحنتها −6 تصبح المحصلة صفرًا، وينتج عد تركيبي يقابل ثلاث ذرات من الفلز. هذا تبسيط لنصف التفاعل، وليس وصف ذرات حرة معزولة بعد الترسيب.

وفي الحساب المولي، تقابل 0.004 mol من هذه الأيونات 0.008 mol من الإلكترونات بحسب النسبة 1:2 إذا خصص انتقال الإلكترونات لهذا التفاعل وحده. لا يحدد هذا العدد كفاءة عملية فعلية أو سمك طبقة؛ نحتاج إلى بيانات أخرى لهذين السؤالين.

استخلاص الألومنيوم: أكسيد لا فلز جاهز

تصف RSC طريقة هول هيرو الصناعية بأنها إذابة أكسيد الألومنيوم في كريوليت منصهر ثم اختزاله كهربائيًا إلى فلز. نفرق بين المادة الأولية التي تحتوي الألومنيوم والفلز الناتج؛ ليس المطلوب مجرد تحريك معدن نقي بين قطبين. ^[4]

هذا مثال على وظيفة التحليل الكهربائي في الإنتاج الصناعي. لا نقول إن كل معدن يستخرج بالطريقة نفسها أو إن مرور تيار في أي محلول يحول محتواه كله إلى فلز. نوع الوسط والمواد والتفاعل يحدد التطبيق.

خلية الوقود والبطارية: ما الذي يتجدد؟

تحتاج خلية الوقود إلى إمداد مستمر بوقود ومؤكسد، بخلاف البطارية التي تحمل مواد تفاعلها ضمن بنائها المعتاد. وفي المثال الهيدروجيني تتفاعل مادتان، الهيدروجين والأكسجين، لإنتاج الماء والكهرباء. لا نخلط خلية الوقود بمولد حراري يحرق الوقود لتحريك آلة. ^[3]

لتصنيف تطبيق جديد اسأل عن اتجاه الطاقة وموضع الأكسدة والاختزال وما يدخل النظام ويخرج منه. قد تتشابه الأقطاب والأسلاك ظاهريًا، بينما تختلف وظيفة الخلية عند التفريغ والشحن أو عند تغذيتها بالوقود. تحديد التفاعل يفسر هذا الاختلاف.