سلول الکتروشیمیایی وسیله ای است که از واکنش های شیمیایی انرژی الکتریکی تولید می کند یا از طریق وارد کردن انرژی الکتریکی، واکنش های شیمیایی را تسهیل می کند. دو نوع اصلی سلول های الکتروشیمیایی وجود دارد: سلول های گالوانیکی (یا ولتایی) و سلول های الکترولیتی .
در یک سلول گالوانیکی، یک واکنش شیمیایی خود به خود انرژی الکتریکی تولید می کند. این نوع سلول از دو فلز مختلف به نام الکترود ساخته شده است که توسط یک محلول الکترولیت به هم متصل می شوند که به یون ها اجازه می دهد بین آنها حرکت کنند. نمونه رایج سلول های گالوانیکی باتری لیمویی است که در آن یک تکه روی و یک تکه مس در لیمو وارد می شود. اسید سیتریک موجود در لیمو به عنوان یک الکترولیت عمل می کند.
واکنش های شیمیایی در یک سلول گالوانیکی شامل فرآیندهای اکسیداسیون و کاهش است. فلزی که اکسید می شود (الکترون ها را از دست می دهد) آند و فلزی که کاهش می دهد (الکترون به دست می آورد) کاتد نامیده می شود. واکنش کلی را می توان با معادله نشان داد:
\( \textrm{واکنش اکسیداسیون در آند} + \textrm{واکنش کاهش در کاتد} = \textrm{واکنش سلول خالص} \)برخلاف سلول‌های گالوانیکی، سلول‌های الکترولیتی برای شروع واکنش شیمیایی به یک منبع الکتریکی خارجی نیاز دارند. از این سلول ها برای فرآیندهایی مانند آبکاری و الکترولیز آب استفاده می شود. در یک سلول الکترولیتی، آند الکترودی است که در آن اکسیداسیون اتفاق می‌افتد، و کاتد جایی است که کاهش اتفاق می‌افتد - مشابه سلول گالوانیکی. با این حال، تفاوت اصلی در جهت جریان جریان الکتریکی است.
یک آزمایش ساده که یک سلول الکترولیتی را نشان می دهد، الکترولیز آب است. با اعمال یک جریان خارجی به آب مخلوط شده با یک الکترولیت (مانند نمک)، مولکول های آب به گازهای هیدروژن و اکسیژن تجزیه می شوند:
\( 2H_2O(l) \rightarrow 2H_2(g) + O_2(g) \)این واکنش فرآیند بنیادی الکترولیز را نشان می‌دهد که در آن از الکتریسیته برای هدایت یک واکنش شیمیایی غیرخود به خودی استفاده می‌شود.
اجزای اصلی یک سلول الکتروشیمیایی عبارتند از:
پتانسیل های استاندارد الکترود (E°) در شرایط استاندارد (298 K، غلظت 1M و فشار 1 اتمسفر) اندازه گیری می شوند تا جهت واکنش ردوکس را پیش بینی کنند. هر چه مقدار E° بیشتر باشد، تمایل یک گونه برای به دست آوردن الکترون و کاهش بیشتر است. پتانسیل استاندارد الکترود برای یک سلول با استفاده از فرمول محاسبه می شود:
\( E^\textrm{سلول}_{\textrm{استاندارد}} = E^\textrm{کاتد}_{\textrm{استاندارد}} - E^\textrm{آند}_{\textrm{استاندارد}} \)این معادله به تعیین پتانسیل الکترود کل سلول کمک می کند که نشان دهنده توانایی آن در تولید نیروی الکتریکی است.
معادله نرنست راهی برای محاسبه پتانسیل الکترود یک سلول الکتروشیمیایی در شرایط غیر استاندارد ارائه می دهد. غلظت یون ها را در دماهای مختلف در نظر می گیرد. معادله توسط:
\( E = E^\textrm{درجه} - \frac{RT}{nF} \ln Q \)که در آن \(E\) پتانسیل الکترود در شرایط غیر استاندارد است، \(E^\textrm{درجه}\) پتانسیل الکترود استاندارد است، \(R\) ثابت گاز جهانی است (8.314 J/(mol·K ))، \(T\) دما بر حسب کلوین، \(n\) تعداد مول های الکترون های منتقل شده در واکنش، \(F\) ثابت فارادی (96485 C/mol) و \(Q\) ضریب واکنش است که اندازه گیری غلظت واکنش دهنده ها و محصولات است.
برای یک سلول گالوانیکی که تحت شرایط استاندارد اما در غلظت‌های مختلف کار می‌کند، معادله نرنست به ما اجازه می‌دهد تا محاسبه کنیم که پتانسیل سلول چگونه با غلظت تغییر می‌کند. به عنوان مثال، در یک سلول گالوانیکی روی-مس، تغییر غلظت یون های \(Zn^{2+}\) یا \(Cu^{2+}\) پتانسیل سلول را مطابق با معادله نرنست تغییر می دهد.
سلول های الکتروشیمیایی کاربردهای گسترده ای دارند، از جمله:
سلول های الکتروشیمیایی در هر دو جنبه عملی و نظری شیمی و فیزیک بنیادی هستند. از طریق توانایی خود در تبدیل انرژی شیمیایی و الکتریکی، آنها نقش های زیادی را در زندگی روزمره ما و در کاربردهای صنعتی ایفا می کنند. درک اصول اولیه سلول های الکتروشیمیایی، مانند واکنش های ردوکس، پتانسیل سلول، و اثرات غلظت و دما بر عملکرد سلول، به ما این امکان را می دهد که قابلیت های آنها را برای اهداف مختلف مهار و بهینه کنیم. از تامین انرژی الکترونیک قابل حمل گرفته تا تسهیل فرآیندهای تولید در مقیاس بزرگ، کاربردهای سلول های الکتروشیمیایی بر اهمیت آنها در پیشرفت فناوری و بهبود کیفیت زندگی تاکید دارد.
مطالعه سلول های الکتروشیمیایی همچنین بینش جالبی را در زمینه گسترده تر الکتروشیمی ارائه می دهد که تأثیر عمیق واکنش های شیمیایی بر پدیده های الکتریکی و بالعکس را نشان می دهد. با ادامه تحقیقات در این زمینه، می‌توان انتظار داشت که نوآوری‌ها و کاربردهای بیشتری را ببینیم که از اصول الکتروشیمی استفاده می‌کنند و به راه‌حل‌های انرژی پایدار و فناوری‌های جدید کمک می‌کنند.
در پایان، چه در مورد سلول‌های گالوانیکی که منبع قابل حملی از انرژی را در اختیار ما قرار می‌دهند یا سلول‌های الکترولیتی که فرآیندهای شیمیایی ضروری را تسهیل می‌کنند، بحث می‌کنیم، اصول و کاربردهای سلول‌های الکتروشیمیایی بخشی جدایی ناپذیر از علم و فناوری مدرن را تشکیل می‌دهند. با پیشرفت‌ها و تحقیقات مداوم، پتانسیل اکتشافات و کاربردهای جدید در این زمینه همچنان گسترده است و نویدبخش پیشرفت‌های هیجان‌انگیز برای آینده است.
