Elektrokimyəvi hüceyrə kimyəvi reaksiyalardan elektrik enerjisi yaradan və ya elektrik enerjisi tətbiq etməklə kimyəvi reaksiyaları asanlaşdıran bir cihazdır. Elektrokimyəvi elementlərin iki əsas növü var: qalvanik (və ya voltaik) hüceyrələr və elektrolitik hüceyrələr .
Qalvanik hüceyrədə spontan kimyəvi reaksiya elektrik enerjisi istehsal edir. Bu tip hüceyrə, ionların aralarında hərəkət etməsinə imkan verən elektrolit məhlulu ilə bağlanan elektrodlar kimi tanınan iki fərqli metaldan qurulmuşdur. Galvanik hüceyrənin ümumi nümunəsi limonun içinə bir parça sink və bir parça misin daxil edildiyi limon batareyasıdır . Limonun tərkibindəki limon turşusu elektrolit rolunu oynayır.
Qalvanik hüceyrədəki kimyəvi reaksiyalar oksidləşmə və reduksiya proseslərini əhatə edir. Oksidləşən (elektron itirən) metal anod , azaldan (elektron qazanan) metal isə katod adlanır. Ümumi reaksiya tənlik ilə təmsil oluna bilər:
\( \textrm{anodda oksidləşmə reaksiyası} + \textrm{katodda reduksiya reaksiyası} = \textrm{xalis hüceyrə reaksiyası} \)Qalvanik hüceyrələrdən fərqli olaraq, elektrolitik hüceyrələr kimyəvi reaksiyaya başlamaq üçün xarici elektrik mənbəyi tələb edir. Bu hüceyrələr elektrokaplama və suyun elektrolizi kimi proseslər üçün istifadə olunur. Elektrolitik hüceyrədə anod oksidləşmənin baş verdiyi elektroddur, katod isə azalmanın baş verdiyi yerdir - qalvanik elementə bənzər. Bununla belə, əsas fərq elektrik cərəyanının axını istiqamətindədir.
Elektrolitik hüceyrəni nümayiş etdirən sadə bir təcrübə suyun elektrolizidir. Elektrolitlə (duz kimi) qarışdırılmış suya xarici cərəyan tətbiq etməklə su molekulları hidrogen və oksigen qazlarına parçalanır:
\( 2H_2O(l) \rightarrow 2H_2(g) + O_2(g) \)Bu reaksiya kortəbii olmayan kimyəvi reaksiyanı idarə etmək üçün elektrik cərəyanının istifadə edildiyi əsas elektroliz prosesini göstərir.
Elektrokimyəvi elementin əsas komponentlərinə aşağıdakılar daxildir:
Redoks reaksiyasının istiqamətini proqnozlaşdırmaq üçün standart elektrod potensialları (E°) standart şəraitdə (298 K, 1M konsentrasiya və 1 atm təzyiq) ölçülür. E° dəyəri nə qədər yüksək olarsa, növün elektron qazanmağa və reduksiyaya məruz qalma meyli bir o qədər yüksək olar. Hüceyrə üçün standart elektrod potensialı düsturla hesablanır:
\( E^\textrm{hüceyrə}_{\textrm{standart}} = E^\textrm{katod}_{\textrm{standart}} - E^\textrm{anod}_{\textrm{standart}} \)Bu tənlik bütün hüceyrənin elektrod potensialını təyin etməyə kömək edir ki, bu da onun elektrik qüvvəsi yaratmaq qabiliyyətini göstərir.
Nernst tənliyi qeyri-standart şəraitdə elektrokimyəvi elementin elektrod potensialını hesablamaq üçün bir yol təqdim edir. Müxtəlif temperaturlarda ionların konsentrasiyasını nəzərə alır. Tənlik aşağıdakı kimi verilir:
\( E = E^\textrm{°} - \frac{RT}{nF} \ln Q \)burada \(E\) qeyri-standart şəraitdə elektrod potensialıdır, \(E^\textrm{°}\) standart elektrod potensialıdır, \(R\) universal qaz sabitidir (8,314 J/(mol·K) )), \(T\) Kelvində temperatur, \(n\) reaksiyada ötürülən elektronların mol sayı, \(F\) Faraday sabiti (96485 C/mol) və \(Q\) reaktivlərin və məhsulların konsentrasiyalarının ölçüsü olan reaksiya əmsalıdır.
Standart şəraitdə, lakin müxtəlif konsentrasiyalarda işləyən bir qalvanik hüceyrə üçün Nernst tənliyi hüceyrə potensialının konsentrasiya ilə necə dəyişdiyini hesablamağa imkan verir. Məsələn, sink-mis galvanik hüceyrədə \(Zn^{2+}\) və ya \(Cu^{2+}\) ionlarının konsentrasiyasının dəyişdirilməsi Nernst tənliyinə uyğun olaraq hüceyrə potensialını dəyişəcək.
Elektrokimyəvi hüceyrələr geniş tətbiq sahəsinə malikdir, o cümlədən:
Elektrokimyəvi hüceyrələr kimya və fizikanın həm praktiki, həm də nəzəri aspektlərində əsasdır. Kimyəvi və elektrik enerjisini bir-birinə çevirmək qabiliyyəti sayəsində onlar gündəlik həyatımızda və sənaye tətbiqlərində çoxlu rollara xidmət edirlər. Redoks reaksiyaları, hüceyrə potensialı, konsentrasiya və temperaturun hüceyrə performansına təsiri kimi elektrokimyəvi hüceyrələrin əsas prinsiplərini başa düşmək bizə onların imkanlarını müxtəlif məqsədlər üçün istifadə etməyə və optimallaşdırmağa imkan verir. Portativ elektronikanı gücləndirməkdən tutmuş geniş miqyaslı istehsal proseslərinin asanlaşdırılmasına qədər, elektrokimyəvi elementlərin tətbiqləri texnologiyanın inkişafı və həyat keyfiyyətinin yaxşılaşdırılmasında onların əhəmiyyətini vurğulayır.
Elektrokimyəvi hüceyrələrin tədqiqi həmçinin kimyəvi reaksiyaların elektrik hadisələrinə və əksinə dərin təsirini göstərən elektrokimyanın daha geniş sahəsinə heyrətamiz bir fikir təqdim edir. Bu sahədə tədqiqatlar davam etdikcə, davamlı enerji həlləri və yeni texnologiyalara töhfə verən elektrokimya prinsiplərindən istifadə edən əlavə yeniliklər və tətbiqlər görəcəyimizi gözləyə bilərik.
Nəticə olaraq, istər bizi portativ enerji mənbəyi ilə təmin edən qalvanik elementləri, istərsə də əsas kimyəvi prosesləri asanlaşdıran elektrolitik elementləri müzakirə edirik, elektrokimyəvi hüceyrələrin prinsipləri və tətbiqləri müasir elm və texnologiyanın ayrılmaz hissəsini təşkil edir. Davam edən irəliləyişlər və tədqiqatlarla bu sahədə yeni kəşflər və tətbiqlər potensialı böyük olaraq qalır və gələcək üçün maraqlı inkişaflar vəd edir.
