Ե՞րբ են տեղի ունենում էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները:

Էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները տեղի են ունենում, երբ քիմիական էներգիան վերածվում է էլեկտրական էներգիայի կամ հակառակը էլեկտրոնի փոխանցման միջոցով էլեկտրոդի և էլեկտրոլիտի միջերեսում: Այս ռեակցիաները տեղի են ունենում ցանկացած համակարգում, որտեղ էլեկտրական հոսանքը հանգեցնում է քիմիական փոփոխության կամ որտեղ քիմիական ռեակցիաները առաջացնում են էլեկտրականություն:

Electrochemical Reactions

Էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները պահանջում են երեք հիմնարար տարրեր, որոնք միասին աշխատում են: Էլեկտրոնային հաղորդիչը ծառայում է որպես էլեկտրոդ, որտեղ ռեակցիաները տեղի են ունենում մակերեսի վրա: Իոնային հաղորդիչը-սովորաբար լուծված իոններ պարունակող էլեկտրոլիտային լուծույթը-թույլ է տալիս լիցքը հոսել էլեկտրոդների միջև: Ամբողջական սխեման միացնում է այս բաղադրիչները՝ հնարավորություն տալով էլեկտրոնի շարժը արտաքին ճանապարհով:

Ռեակցիան տեղի է ունենում հատկապես էլեկտրոդի-էլեկտրոլիտի միջերեսում, հաղորդիչի մակերեսից ընդամենը մի քանի անգստրոմում: Այս նեղ ռեակցիայի գոտին գոյություն ունի, քանի որ էլեկտրոնները շարժուն են մնում միայն էլեկտրոնային հաղորդիչներում, ինչպիսիք են մետաղները, մինչդեռ իոնները լիցք են կրում էլեկտրոլիտի միջով:

Գալվանական բջիջները ցույց են տալիս էլեկտրաքիմիական ռեակցիաներ, որոնք տեղի են ունենում ինքնաբերաբար՝ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Այս համակարգերում օքսիդացումը տեղի է ունենում անոդում, մինչդեռ նվազեցումը տեղի է ունենում կաթոդում: Քիմիական պոտենցիալ տարբերությունը այս երկու կես-ռեակցիաների միջև մղում է էլեկտրոնները արտաքին շղթայի միջով:

Մարտկոցի լիցքաթափումը ցույց է տալիս այս ինքնաբուխ գործընթացը: Երբ դուք օգտագործում եք բեռնատարի մարտկոցներ, էլեկտրոդի նյութերի և էլեկտրոլիտի միջև քիմիական ռեակցիաները ազատում են էլեկտրոններ, որոնք սնուցում են շարժիչը: Կապարի-թթվային տարբերակներում օգտագործվում են կապարի երկօքսիդ և սպունգային կապարի թիթեղներ, որոնք ընկղմված են ծծմբաթթվի մեջ, էլեկտրաքիմիական ռեակցիայի դեպքում կուտակված քիմիական էներգիան վերածում է բարձրացման աշխատանքների համար անհրաժեշտ էլեկտրական էներգիայի:

Դանիել բջիջը հստակորեն ցույց է տալիս սկզբունքը: Ցինկ մետաղը օքսիդանում է մի էլեկտրոդում՝ ազատելով էլեկտրոնները, որոնք հոսում են մետաղալարով, որպեսզի նվազեցնեն պղնձի իոնները մյուս էլեկտրոդում։ Էլեկտրոնների այս հոսքը կազմում է էլեկտրական հոսանք, որը շարունակվում է մինչև ռեակտիվները սպառվեն կամ համակարգը հասնի հավասարակշռության:

Էլեկտրոլիտիկ բջիջները ներկայացնում են հակառակ սցենարի-էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները, որոնք ինքնաբերաբար չեն առաջանում, բայց շարունակելու համար պահանջվում է կիրառվող լարում: Արտաքին էլեկտրական էներգիան ստիպում է ոչ-ինքնաբուխ քիմիական փոխակերպումներ։

Վերալիցքավորվող մարտկոցի լիցքավորումը ցույց է տալիս այս սկզբունքը: Երբ կապար-թթվային մարտկոցը միացնում եք լիցքավորիչին, կիրառվող լարումը հակադարձում է լիցքաթափման ռեակցիաները: Կապարի սուլֆատը նորից վերածվում է կապարի երկօքսիդի և սպունգային կապարի, մինչդեռ ծծմբաթթվի կոնցենտրացիան էլեկտրոլիտում մեծանում է: Էլեկտրական էներգիայի մուտքագրումը վերակառուցում է քիմիական ներուժը, որը հետագայում կսնուցի ձեր սարքավորումը:

Ջրի էլեկտրոլիզը տալիս է ևս մեկ հստակ օրինակ: Ջրի մեջ ընկղմված էլեկտրոդների վրա բավարար լարման կիրառումը H2O մոլեկուլները բաժանում է ջրածնի և թթվածնի գազերի: Պահանջվող լարումը պետք է գերազանցի քիմիական պոտենցիալ տարբերությունը օքսիդացման և նվազեցման կես{2}}ռեակցիայի միջև:

Արդյունաբերական էլեկտրալվացումը հիմնված է այս հարկադիր ռեակցիայի մեխանիզմի վրա: Էլեկտրական հոսանքը մետաղի իոնները լուծույթից մղում է հաղորդիչ առարկայի վրա՝ ստեղծելով պաշտպանիչ կամ դեկորատիվ ծածկույթ էլեկտրաքիմիական գործընթացի միջոցով, որը չէր լինի առանց կիրառվող էներգիայի:

Էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները ցույց են տալիս զգալի ջերմաստիճանի զգայունություն: Մարտկոցների մեծամասնությունը օպտիմալ կերպով աշխատում է 0 աստիճանից մինչև 45 աստիճանի միջակայքում, իսկ կատարողականությունը ցածր է այս միջակայքից դուրս: Սառը ջերմաստիճանը մեծացնում է ներքին դիմադրությունը՝ դանդաղեցնելով իոնների շարժումը էլեկտրոլիտի միջով և նվազեցնելով ելքային հզորությունը: Կապարի-թթվային մարտկոցը կորցնում է 50% հզորություն -20 աստիճանի դեպքում, մինչդեռ լիթիում-իոնային մարտկոցները պահպանում են ավելի լավ աշխատանքը՝ նույն ջերմաստիճանում միայն 20% հզորության կորստով:

Ջերմությունը արագացնում է քիմիական քայքայումը, բայց կարող է նաև արագացնել ռեակցիայի կինետիկան անվտանգ սահմաններում: Այնուամենայնիվ, 60 աստիճանից բարձր ավելորդ ջերմությունը վտանգում է ջերմային փախուստը լիթիումային մարտկոցներում, որտեղ էկզոտերմիկ ռեակցիաները դառնում են ինքնակապ-և վտանգավոր: Ջերմաստիճանի-կախված բնույթը նշանակում է, որ էլեկտրաքիմիական ռեակցիաներն ավելի հեշտ են տեղի ունենում չափավոր ջերմաստիճաններում, որտեղ իոնների շարժունակությունը մնում է բարձր՝ առանց քայքայման հրահրման:

Էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիան զգալիորեն ազդում է ռեակցիայի արագության վրա: Կապարի-թթվային մարտկոցներում ծծմբաթթվի տեսակարար կշիռը փոխվում է լիցքաթափման ժամանակ՝ իջնելով մոտ 1,27-ից, երբ լրիվ լիցքավորվում է, մինչև 1,10-ից ցածր, երբ սպառվում է: Այս նվազող կոնցենտրացիան դանդաղեցնում է էլեկտրաքիմիական ռեակցիան այնքան ժամանակ, մինչև թթվի անբավարարությունը մնա արդյունավետ էլեկտրոնների փոխանցման համար:

Electrochemical Reactions

Էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները տեղի են ունենում, երբ համակարգն ունի բավարար էլեկտրական պոտենցիալ՝ էլեկտրոնների փոխանցման համար: Nernst-ի հավասարումը քանակականացնում է այս հարաբերությունը՝ ցույց տալով, թե ինչպես է բջջի ներուժը կախված ռեակտիվ նյութի կոնցենտրացիաներից, ջերմաստիճանից և ներգրավված նյութերի ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալներից:

Ստանդարտ էլեկտրոդների պոտենցիալները որոշում են, թե որ ռեակցիաներն են ընթանում ինքնաբուխ: Ավելի բացասական ստանդարտ պոտենցիալ ունեցող նյութերը հեշտությամբ նվիրաբերում են էլեկտրոններ՝ դրանք դարձնելով հարմար անոդներ: Նրանք, ովքեր ավելի դրական արժեքներ ունեն, ընդունում են էլեկտրոնները, որոնք գործում են որպես կաթոդներ: Այս պոտենցիալների միջև տարբերությունը որոշում է բջջի լարումը-ռեակցիայի շարժիչ ուժը:

Երբ վոլտային բջիջը լիցքաթափվում է, բջջի ներուժը աստիճանաբար նվազում է, քանի որ ռեակտիվ նյութի կոնցենտրացիան փոխվում է: Ռեակցիան շարունակվում է այնքան ժամանակ, մինչև համակարգը հասնի հավասարակշռության, այդ պահին պոտենցիալը իջնում է զրոյի և էլեկտրոնի զուտ հոսք չի առաջանում: Մինչ այս հավասարակշռության վիճակը, էլեկտրաքիմիական ռեակցիան ընթանում է ընթացիկ խտությանը համաչափ արագությամբ:

Իրական էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները հաճախ պահանջում են գերպոտենցիալ-լրացուցիչ լարում, որը գերազանցում է թերմոդինամիկ նվազագույնը: Այս լրացուցիչ էներգիան հաղթահարում է էլեկտրոնների փոխանցման և զանգվածային փոխադրման սահմանափակումների ակտիվացման խոչընդոտները: Գերներուժը տատանվում է ռեակցիայի տեսակից, էլեկտրոդի նյութից և հոսանքի խտությունից:

Ցածր գերպոտենցիալով արագ ռեակցիաները արդյունավետ են ընթանում նվազագույն ավելցուկային լարման դեպքում: Դանդաղ ռեակցիաները պահանջում են զգալի գերպոտենցիալ՝ գործնական հոսանքի հոսքի հասնելու համար: Սա բացատրում է, թե ինչու որոշ էլեկտրոլիտիկ գործընթացներ պահանջում են զգալիորեն ավելի բարձր լարումներ, քան տեսական հաշվարկները ենթադրում են:

Էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները հզորացնում են անթիվ սարքեր և գործընթացներ: Լապտերների և հեռակառավարման սարքերի հիմնական մարտկոցները հիմնված են անդառնալի ռեակցիաների վրա, որոնք արտադրում են էլեկտրաէներգիա մինչև ռեակտիվների արտանետումը: Տրանսպորտային միջոցների և էլեկտրոնիկայի երկրորդային մարտկոցները օգտագործում են շրջելի ռեակցիաներ՝ թույլ տալով կրկնակի լիցքավորման-լիցքաթափման ցիկլեր:

Վառելիքի բջիջը ներկայացնում է եզակի կիրառություն, որտեղ էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները վառելիքը վերածում են ուղղակիորեն էլեկտրաէներգիայի՝ բարձր արդյունավետությամբ: Ջրածինը օքսիդանում է անոդում, մինչդեռ թթվածինը նվազում է կաթոդում՝ որպես կողմնակի արտադրանք արտադրելով միայն ջուր: Ի տարբերություն մարտկոցների, վառելիքի բջիջները պահանջում են վառելիքի շարունակական մատակարարում ռեակցիան պահպանելու համար:

Կոռոզիան ցույց է տալիս անցանկալի էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները, որոնք տեղի են ունենում ինքնաբերաբար, երբ մետաղը շփվում է խոնավության և թթվածնի հետ: Երկաթի ժանգը ձևավորվում է անոդային տեղամասերում օքսիդացման ռեակցիաների միջոցով, էլեկտրոնների հոսքով դեպի կաթոդային տարածքներ, որտեղ թթվածինը նվազում է: Այս էլեկտրաքիմիական մեխանիզմների ըմբռնումն օգնում է ինժեներներին մշակել պաշտպանիչ ծածկույթներ և կոռոզիոն{2}}դիմացկուն համաձուլվածքներ:

Արդյունաբերական էլեկտրաքիմիան թույլ է տալիս-մեծածավալ արտադրական գործընթացներ: Ալյումինի արտադրությունը հիմնված է հալված ալյումինի օքսիդի էլեկտրոլիզի վրա՝ օգտագործելով զանգվածային հոսանքները՝ նվազեցնելու ալյումինի իոնները: Քլորալկալիի պրոցեսը էլեկտրոլիզացնում է աղաջուրը՝ արտադրելով քլոր գազ և նատրիումի հիդրօքսիդ, որոնք երկուսն էլ կարևոր արդյունաբերական քիմիական նյութեր են:

Electrochemical Reactions

Էլեկտրաքիմիական ռեակցիաների արագությունը կախված է մի քանի փոխկապակցված գործոններից: Ընթացքի խտությունը-հոսանքը մեկ միավորի էլեկտրոդի տարածքի վրա-ուղղակիորեն փոխկապակցված է ռեակցիայի արագության հետ` Ֆարադեյի օրենքների համաձայն: Ավելի մեծ հոսանքի խտությունը նշանակում է, որ վայրկյանում ավելի շատ էլեկտրոններ են փոխանցում՝ արագացնելով քիմիական փոխակերպումը:

Զանգվածի փոխադրումը սահմանափակում է շատ էլեկտրաքիմիական ռեակցիաներ: Ռեակտիվները պետք է հասնեն էլեկտրոդի մակերեսին, իսկ արտադրանքը պետք է հեռանա՝ պահպանելու կոնցենտրացիայի գրադիենտները: Դիֆուզիան, միգրացիան և կոնվեկցիան ղեկավարում են տրանսպորտային այս գործընթացները: Էլեկտրոլիտը խառնելը կամ բջիջների միջով հոսքի ձևավորումը բարելավում է զանգվածի փոխադրումը և մեծացնում ռեակցիաների հասանելի արագությունները:

Էլեկտրոդի մակերեսը էական նշանակություն ունի: Ավելի մեծ մակերեսները ապահովում են ավելի շատ տեղամասեր էլեկտրոնների փոխանցման համար, ինչը հնարավորություն է տալիս ավելի մեծ ընդհանուր հոսանքներ ունենալ նույն հոսանքի խտությամբ: Սա բացատրում է, թե ինչու մարտկոցի էլեկտրոդներն օգտագործում են ծակոտկեն կառուցվածքներ՝ մեծ մակերեսով--ծավալի հարաբերակցությամբ՝ առավելագույնի հասցնելով այն միջերեսը, որտեղ տեղի են ունենում ռեակցիաներ:

Էլեկտրոդի նյութն ինքնին ազդում է ռեակցիայի կինետիկայի վրա կատալիտիկ ազդեցությունների միջոցով: Որոշ նյութեր նվազեցնում են ակտիվացման էներգիան հատուկ ռեակցիաների համար, ինչը թույլ է տալիս նրանց արագ առաջանալ ցածր գերպոտենցիալով: Պլատինը արդյունավետորեն կատալիզացնում է ջրածնի օքսիդացումը և թթվածնի նվազեցումը, ինչը արժեքավոր է դարձնում վառելիքի բջիջների էլեկտրոդների համար, չնայած դրա արժեքին:

Էլեկտրոդի-էլեկտրոլիտի միջերեսն ունի բարդ կառուցվածք, որը կոչվում է էլեկտրական կրկնակի շերտ: Այս շրջանը կենտրոնացնում է լիցքը մի քանի նանոմետրերի վրա՝ ստեղծելով ինտենսիվ էլեկտրական դաշտեր՝ հասնելով 107 Վ/սմ: Կրկնակի շերտը գործում է որպես կոնդենսատոր՝ կուտակելով լիցք, որն ազդում է էլեկտրաքիմիական ռեակցիաների կինետիկայի վրա։

Լուծման մեջ իոնները կողմնորոշվում են լիցքավորված էլեկտրոդի մակերեսի մոտ: Կատիոնները հավաքվում են բացասական էլեկտրոդների մոտ, մինչդեռ անիոնները կենտրոնանում են դրական էլեկտրոդների մոտ։ Այս իոնային դասավորությունը ցուցադրում է էլեկտրոդի լիցքը և ազդում այն տեսակների վրա, որոնք կարող են հասնել մակերեսին արձագանքելու համար: Կրկնակի շերտի կառուցվածքը փոխվում է դինամիկ կերպով, քանի որ էլեկտրոդի ներուժը տատանվում է՝ ազդելով ռեակցիայի ուղիների և արագության վրա:

Երկշերտ էֆեկտների ըմբռնումը շատ կարևոր է էլեկտրաքիմիական համակարգերի օպտիմալացման համար: Հետազոտողները ուսումնասիրում են այս նանոմաշտաբի երևույթները՝ ավելի լավ մարտկոցի էլեկտրոդներ նախագծելու, կոռոզիոն դիմադրությունը բարելավելու և ավելի արդյունավետ էլեկտրակատալիզատորներ մշակելու համար: Կրկնակի շերտը ներկայացնում է այն վայրը, որտեղ մոլեկուլային-մակարդակի քիմիան հանդիպում է մակրոսկոպիկ էլեկտրական երևույթներին:

Գալվանական բջիջները էլեկտրաէներգիա են արտադրում ինքնաբուխ քիմիական ռեակցիաներից, ինչպիսիք են մարտկոցների լիցքաթափումը: Էլեկտրոլիտիկ բջիջները օգտագործում են կիրառական էլեկտրական էներգիա՝ ոչ-ինքնաբուխ ռեակցիաներ առաջացնելու համար, ինչպիսիք են մարտկոցները լիցքավորելը կամ էլեկտրալիցքավորումը: Հիմնական տարբերակումն այն է, թե ռեակցիան տեղի է ունենում բնական (գալվանական) կամ պահանջում է արտաքին ուժ (էլեկտրոլիտիկ):

Այո, թեև ավելի հազվադեպ: Պինդ-մարտկոցները օգտագործում են պինդ էլեկտրոլիտներ, որոնք իոններ են փոխանցում իրենց բյուրեղային կառուցվածքով: Բարձր ջերմաստիճանի պինդ օքսիդի վառելիքի բջիջները օգտագործում են կերամիկական էլեկտրոլիտներ: Նույնիսկ որոշ գազեր կարող են հատուկ պայմաններում ծառայել որպես էլեկտրոլիտ: Այնուամենայնիվ, հեղուկ էլեկտրոլիտները մնում են ամենատարածվածը բարձր իոնային հաղորդունակության շնորհիվ:

Հավասարակշռության ժամանակ առաջ և հակադարձ ռեակցիաների արագությունները ճիշտ հավասարակշռվում են: Զուտ քիմիական փոփոխություն տեղի չի ունենում, ուստի էլեկտրոնները չեն հոսում շղթայի միջով: Բջջի պոտենցիալը ընկնում է զրոյի, քանի որ համակարգը հասել է իր ամենացածր էներգիայի վիճակին: Ռեակտիվ նյութերի ավելացումը կամ արտաքին լարման կիրառումը կարող է վերսկսել ռեակցիան:

Ավելի բարձր ջերմաստիճանները սովորաբար մեծացնում են ռեակցիայի արագությունը՝ արագացնելով իոնների շարժումը և նվազեցնելով ակտիվացման էներգիայի խոչընդոտները: Այնուամենայնիվ, չափից ավելի ջերմությունը կարող է վնասել մարտկոցի բաղադրիչները կամ առաջացնել փախուստի ռեակցիաներ: Սառը ջերմաստիճանը կտրուկ դանդաղեցնում է ռեակցիաները՝ նվազեցնելով ելքային հզորությունը: Յուրաքանչյուր էլեկտրաքիմիական համակարգ ունի օպտիմալ ջերմաստիճանի միջակայք առավելագույն կատարման համար:

Էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները կամրջում են քիմիան և էլեկտրատեխնիկան այնպես, որ անընդհատ շոշափում են մեր առօրյան: Ձեր սմարթֆոնի մարտկոցից մինչև մետաղական կոնստրուկցիաների հակակոռոզիոն ծածկույթը՝ էլեկտրոնների փոխանցման այս գործընթացները էլեկտրոդների մակերեսին հնարավոր են դարձնում ժամանակակից տեխնոլոգիաները: Ռեակցիաները տեղի են ունենում, երբ էլեկտրոդների, էլեկտրոլիտի և քիմիական շարժիչ ուժի կամ կիրառվող լարման ճիշտ համակցությունը միանում է-էեգանտ արդյունավետությամբ էներգիան փոխակերպելով քիմիական և էլեկտրական ձևերի միջև:

Electrochemical Reactions