بحث عن الكيمياء الكهربائية

تعريف الكيمياء الكهربائية

تحتوي الكيمياء على عدة فروع، وتعد الكيمياء الكهربائية إحدى فروع الكيمياء، ويعنى هذا الفرع بدراسة التفاعلات التي تحدث في سطوح النواقل الكهربائية أو أنصاف النواقل مثل الغرافيت، يتم في هذا التفاعل حدوث تفاعل كيميائي ناتج عن وجود جهد كهربائي، أو أن هذا التفاعل الكيميائي ينتج جهدًا كهربائيًا كما يحصل داخل البطاريات، حيث تحدث عدة تفاعلات أكسدة واختزال مع وجود مسافة تسمح بانتقال الالكترونات خلالها مما يولد تيار كهربائي، إن الأمر المهم الذي يجب دراسته وفهمه في الكيمياء الكهربائية هو تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تسبب تغيرًا في الشحنات الكهربائية الموجودة على الجزيئات الأمر الذي ينتج عنه توليد تيار كهربائي، ويسمى العنصر الذي يفقد بعضًا من الكتروناته وأصبحت شحنته موجبة بالعنصر المؤكسد، بينما العنصر الذي يستقبل الالكترونات يسمى بالعنصر المختزل. كلما قام عنصر ما بمنح الالكترونات فإن حالة الأكسدة لديه تزداد، وكلما استقبل العنصر إلكترونًا فإن حالة الأكسدة لديه تقل.

ويتم تعريف العامل المؤكسد على أنه المادة التي تؤكسد مادة أخرى تتفاعل معھا، وتحدث لھا عملية اختزال أي أنها تكتسب إلكترونا أو أكثر، بينما العامل المختزل يتم تعريفه على أنه المادة التي تختزل مادة أخرى نتيجة تفاعله معھا، وتحدث عملية أكسدة لهذه المادة حيث تفقد إلكترونا أو أكثر، بينما عدد الالكترونات التي يمكن للمادة فقدها أو كسبها خلال حدوث التفاعل الكيميائي فإنه يعرف باسم عدد الأكسدة.

يعود تاريخ اكتشاف الكيمياء الكهربائية إلى القرن الثامن عشر الميلادي، حيث قام العالم الإيطالي جالفاني الذي كان متخصصًا في مجال التشريح، بوصل فخذي ضفدع بسلكين معدنين ولاحظ حدوث انتفاضة بجسم الضفدع عند مرور تيار كهربائي، فقام بتطوير تجربته ودراستها حتى اكتشف علم الكيمياء الكهربائية، ويتم استخدام جهاز خاص لتوليد التيار والقدرة الكهربائية عن طريق حدوث تفاعلات كيميائية التي تسبب بانتقال للالكترونات بين قطبي هذا الجهاز، ويطلق على هذا الجهاز اسم الخلايا الكهربائية.

تتكون الخلية الكهروكيميائية من قطبين موصولين ببعضهما البعض ليكونان دائرة كهربائية، وتستخدم الخلية الكهربائية إما لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عن طريق حدوث تغيرات أو تفاعلات كيميائية ومن أشهر الأمثلة على هذه الخلايا،الخلايا الجافة والمعروفة أيضًا باسم خلايا” لي كلانشيه”، والاستخدام الثاني للخلية الكهربائية هو تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية ويحدث نتيجة تكوين تفاعلات كيميائية بسبب مرور تيار كهربائي في محلول، ويطلق عليه أيضًا اسم عملية التحليل الكهربائي ومن أشهر الأمثلة على هذا النوع هي البطاريات التي يتم شحنها، بحيث تتحول الطاقة الكهربائية التي تصل إلى البطارية عن طريق الشاحن إلى طاقة كيميائية.

استخدامات وأهمية الكيمياء الكهربائية

يتم الاستفادة من الكيمياء الكهربائية في كثير من المنتجات التي نستخدمها في حياتنا اليومية، ومن أهم المنتجات المستخدمة:

1. الخلايا الفولتية: ومن أشهرها البطاريات الجافة بكافة أشكالها وأحجامها، وهي التي تستخدم في الآلات الحاسبة، وفي الساعات سواء الحائط أو ساعات اليد، وفي ألعاب الأطفال، وفي المصابيح اليدوية، وفي بعض الأجهزة الكهربائية البسيطة كالتحف الصغيرة، وفي أجهزة التحكم عن بعد.
2. البطاريات التي تستخدم في تشغيل السيارات.
3. تستطيع الكيمياء الكهربائية أن تفسر حدوث العديد من الظواهر الطبيعية، ككيفية حدوث تنقية المعادن، وأسباب تآكل المعادن، وأسباب حدوث تفاعلات الأيونات مع بعضها، ومع المذيب في المحلول.
4. توجد أهمية عملية للكيمياء الكهربائية في الحياة اليومية حيث تقدم الخلايا الإلكتروليتية معلومات مهمة جدًا حول البيئة الكيميائية، وتستطيع منح العلماء والمهتمين كمية الطاقة التي يجب أن تتوافر لتحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال.
5. تستطيع الكيمياء الكهربائية من إنتاج الكثير من المركبات الكيميائية الهامة التي يتم استخدامها في حياتنا اليومية، ومن أشهرها هيدروكسيد الصوديوم والمعروف بالصيغة الكيميائية NaOH ، والذي يتم استخدامه لعمل الصابون والورق، والمبيض السائل المعروف بالصيغة الكيميائية NaOCl.
6. خلايا الوقود: وهي نوع من الخلايا التي تولد الطاقة عن طريق احتراق الوقود، ويتم فيها تحويل الطاقة الناتجة من الاحتراق مباشرة إلى كهرباء، ولهذا النوع من الخلايا استعمالات عديدة في الحياة العملية خصوصاً في سفن الفضاء.
7. ساعد اكتشاف علم الإلكتروكيميائية العلماء في إنتاج العديد من الأجهزة الحديثة التي تستخدم في تحليل التلوث، والأجهزة الخاصة بإجراء الأبحاث الطبية الحيوية.
8. وجود المجسات الإلكتروكيميائية الدقيقة ساعدت العلماء على دراسة التفاعلات الكيمائية التي تحدث داخل الخلايا الحية.

التيار الكهربائي

يتم تعريف التيار الكهربائي علميًا بأنه تدفق عدد من الشحنات الكهربائية كالإلكترونات أو الأيونات، يتم استخدام وحدة الأمبير لقياس شدة التيار الكهربائي، بينما يتم استخدام جهاز الأميتر لقياس التيار الكهربائي، ويوجد نوعان من التيار الكهربائي: النوع الأول يطلق عليه اسم التيار المستمر وهو الذي يتولد من بطارية حيث تتحرك الالكترونات في اتجاه واحد فقط، والنوع الثاني يطلق عليه اسم التيار المتردد وهو الذي يستخدم في المنازل لغرض الإنارة أو في الأجهزة التي تعمل على تسخين الأشياء ويستخدم لتشغيل الآلات، وينتج هذا النوع عن طريق إدارة ملف من السلك يتكون من النحاس في مجال مغناطيسي حيث تتردد الإلكترونات في اتجاهين مختلفين بسرعة عالية.
وتنقسم المواد في الطبيعة إلى أربعة مجموعات حسب قابليتها لإيصال التيار الكهربائي وهذه المجموعات هي:

1. مواد موصلة للتيار الكهربائي، وهي المواد التي تسمح بمرور التيار الكهربائي من خلالها دون أن يحدث لها تحلل، ومن أشهرها الكربون والمعادن كالحديد.
2. المواد العازلة للتيار الكهربائي : وهي المواد التي لا تسمح بمرور التيار الكهربائي من خلالها؛ وذلك لاحتواء هذه المواد على مركبات خاصة يوجد فيها روابط تساهمية ومن أشهر هذه المواد المركبات العضوية كالسيليكات.
3. مواد شبه موصلة للتيار الكهربائي: وهي المواد التي تسمح بمرور جزء بسيط من التيار الكهربائي وهي تعتبر مواد وسطية بين المواد الموصلة للتيار الكهربائي والمواد العازلة للتيار الكهربائي.