Elektrokimya elektrik və kimyəvi reaksiyalar arasındakı əlaqəni öyrənən kimya sahəsidir. Kimyəvi enerjinin elektrik enerjisinə və əksinə necə çevrildiyini araşdırır. Elektrokimyanın mərkəzində ya kimyəvi reaksiyalardan elektrik enerjisi yarada, ya da elektrik enerjisinin tətbiqi ilə kimyəvi reaksiyaları asanlaşdıra bilən cihazlar olan elektrokimyəvi hüceyrələr var.
Redoks reaksiyalarını başa düşmək
Elektrokimyanın əsasını redoks (oksidləşmə-reduksiya) reaksiyaları təşkil edir. Bunlar bir maddənin elektron itirdiyi (oksidləşmə), digərinin isə elektron qazandığı (reduksiya) proseslərdir. Bunu yadda saxlamağın asan yolu: - Oksidləşmə İtkidir (elektronların), Reduksiya Qazanır (elektronların) - NEFT RIG kimi qısaldılır. Məsələn, dəmirin oksidləşməsi oksigenlə reaksiyada pas əmələ gətirir: \( 4Fe + 3O 2 \rightarrow 2Fe 2O_3 \) Burada dəmir (Fe) elektronlarını oksigenə (O2) itirir, bu da onun oksidləşməsinə səbəb olur, oksigen isə azalır.
Elektrokimyəvi hüceyrələr
Elektrokimyəvi hüceyrələr iki əsas növə bölünür: qalvanik (və ya voltaik) hüceyrələr və elektrolitik hüceyrələr. Hər ikisi redoks reaksiyalarını asanlaşdırır, lakin əsaslı şəkildə əks istiqamətdə fəaliyyət göstərir.
Galvanik hüceyrələr
Qalvanik hüceyrələr kimyəvi enerjini kortəbii redoks reaksiyaları vasitəsilə elektrik enerjisinə çevirir. Onlar elektrolitik məhlullara batırılmış, duz körpüsü ilə bağlanmış iki müxtəlif metaldan (elektrodlardan) ibarətdir. Elektronların xarici dövrə vasitəsilə anoddan (oksidləşmə baş verir) katoda (reduksiya baş verir) axını elektrik cərəyanı yaradır. Qalvanik elementin klassik nümunəsi, sink sulfat məhlulunda sink elektrodu və mis sulfat məhlulunda mis elektrodu ehtiva edən Daniell hüceyrəsidir. Yarım reaksiyalar bunlardır: - Anod (oksidləşmə): \(Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}\) - Katod (reduksiya): \(Cu^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Cu\) Ümumi hüceyrə reaksiyası: \( Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu \)
Elektrolitik hüceyrələr
Qalvanik hüceyrələrdən fərqli olaraq, elektrolitik hüceyrələr kortəbii olmayan kimyəvi reaksiyaları idarə etmək üçün elektrik enerjisindən istifadə edirlər. Bu hüceyrələrin də iki elektrodu və bir elektroliti var, lakin işləmək üçün xarici gərginlik tələb olunur. Onlar elektrokaplamada, suyun elektrolizində və müxtəlif sənaye proseslərində geniş istifadə olunur. Məsələn, suyun elektrolizi nəticəsində hidrogen və oksigen qazları əmələ gəlir: \( 2H 2O(l) \rightarrow 2H 2(g) + O_2(g) \) Katodda su reduksiya edərək hidrogen qazını əmələ gətirir: \( 2H 2O(l) + 2e^{-} \rightarrow H 2(g) + 2OH^{-}(aq) \) Anodda su oksidləşərək oksigen qazını əmələ gətirir: \( 2H 2O(l) \rightarrow O 2(g) + 4H^{+}(aq) + 4e^{-} \)
Nernst tənliyi
Nernst tənliyi istənilən şəraitdə elektrokimyəvi elementin potensialını hesablamaq üçün bir yol təqdim edir. Standart elektrod potensialını, temperaturu və reaktivlərin və məhsulların konsentrasiyalarını (və ya təzyiqlərini) nəzərə alır. Tənlik aşağıdakı kimi verilir: \( E = E^\circ - \frac{RT}{nF} \ln Q \) Burada: - \(E\) qeyri-standart şəraitdə hüceyrə potensialıdır, - \(E^\circ\) standart hüceyrə potensialıdır, - \(R\) qaz sabitidir (8,314 J/(mol·K)), - \(T\) Kelvində temperatur, - \(n\) ötürülən elektronların mol sayıdır, - \(F\) Faradeyin sabitidir (96485 C/mol), - \(Q\) isə məhsul konsentrasiyalarının reaktivlərin konsentrasiyalarına nisbəti olan reaksiya əmsalıdır.
Elektrokimyanın tətbiqləri
Elektrokimyanın müxtəlif sahələrdə geniş tətbiq sahəsi var: - Batareyalar: Oyuncaqlardan tutmuş avtomobillərə qədər hər şeyi gücləndirən portativ enerji mənbələri. - Yanacaq Hüceyrələri: Kimyəvi enerjini oksigen və ya digər oksidləşdirici maddə ilə kimyəvi reaksiya yolu ilə yanacaqdan elektrik enerjisinə çevirən qurğular. - Korroziyanın qarşısının alınması: Metallara qoruyucu örtük tətbiq etmək və ya qurban anodlarından istifadə dağıdıcı oksidləşmə proseslərinin qarşısını ala bilər. - Elektrokaplama: Bir cismin elektrik cərəyanından istifadə edərək nazik bir metal təbəqəsi ilə örtülməsi prosesi. - Suyun Təmizlənməsi: Elektrokimyəvi proseslər sudan çirkləri və çirkləndiriciləri təmizləyə bilər.
Ətraf Mühitə Təsir və Gələcək Perspektivlər
Elektrokimya enerjinin saxlanmasında və müxtəlif sənaye proseslərində həlledici rol oynasa da, ağır metalların çirklənməsi və işlənmiş batareyaların və elektrokimyəvi cihazların utilizasiyası kimi ətraf mühitə təsirlə bağlı problemlərlə də üzləşir. Elektrokimya tədqiqatlarının gələcək istiqamətləri daha davamlı və ekoloji cəhətdən təmiz texnologiyaların, o cümlədən daha yüksək effektivliyə və ətraf mühitə daha az təsirə malik qabaqcıl akkumulyatorlar və iqlim dəyişikliyi ilə mübarizə üçün CO2-nin azaldılması üsullarını inkişaf etdirmək məqsədi daşıyır. Davamlı innovasiyalar və tədqiqatlar vasitəsilə elektrokimya təmiz enerji, ətraf mühitin mühafizəsi və geniş texnoloji tətbiqlərdə əhəmiyyətli irəliləyişlər vəd edir.
