بیایید برق تولید کنیم!

تجسم کنید در آزمایشگاه شیمی هستید و مشغول انجام آزمایشی هستید. که ناگهان برق می رود! فرض کنیم که هیچ وسیله ی روشنایی ( برق اضطراری _ شمع _ چراغ قوه _ و حتی دریغ از یک کبریت !) ندارید. حال می خواهید خودتان به کمک مواد شیمیایی موجود در آزمایشگاه ، لامپی را روشن کنید.مسلما باید یک سلول الکترو شیمیایی گالوانی بسازید.

یک سلول الکترو شیمیایی گالوانی شامل دو نیم سلول است .به عنوان مثال سلول الکترو شیمیایی گالوانی (Zn_Cu) از دو نیم سلول زیر تشکیل شده است.

نیم سلول روی(Zn) : شامل تیغه ای از فلز روی است که در محلولی از روی سولفات یک مولار قرار دارد.

نیم سلول مس (Cu): شامل تیغه ای از فلز مس است که در محلولی از مس (II) سولفات یک مولار قرار دارد.

اگر دو نیم سلول فوق را به یکدیگر متصل کنید و یک پل نمکی را به عنوان رابط بین آن ها قرار دهید، مشاهده خواهید کرد که لامپی که در این مدار الکتریکی قرار می گیرد روشن می شود.

حال این سوال مطرح می شود که این دستگاه چگونه برق تولید می کند؟

برای بررسی نحوه ی کار کردن این دستگاه ، بگذارید وضعیت هر یک از نیم سلول را بررسی کنیم.

پتانسیل الکتریکی روی که برابر است با (0.76_ ) ولت و پتانسیل الکتریکی مس برابر است با (0.34 +) ولت .

با مقایسه ی پتانسیل ها الکتریکی در می یابیم که پتانسیل الکتریکی منفی در الکترود روی نسبت به الکترود مس بیشتر است به عبارت دیگر چون چون نیم سلول روی دارای E⁰  کوچکتری (منفی تری) است ، تمایل بیشتری برای دادن الکترون دارد ، بنابراین به محض اینکه دو نیم سلول را با سیم به یکدیگر متصل می کنیم ، الکترون ها از الکترود روی خارج شده و به سمت الکترود مس مهاجرت می کنند .با خروج الکترون ها از الکترود روی ، تعادلی که قبل از اتصال دو نیم سلول ایجاد شده بود به هم می خورد و در نیم سلول روی با کم شدن الکترون، طبق اصل لوشاتلیه تعادل مربوط به نیم سلول روی در جهت برگشت یعنی در جهت اکسایش پیش می رود تا از این راه الکترون های منتقل شده را جبران کند.

جا به جایی تعادل روی در جهت برگشت بدین معنی است که اتم های روی به یون های  ⁺Zn²  (محلول) تبدیل می شوند و الکترون های تولید شده نیز از طریق سیم برای الکترود مس فرستاده می شوند ! بدهی است که به مرور جرم تیغه ی روی کاهش می یابد و در واقع تیغه ی روی لاغر می شود! با توجه به اینکه تعادل مربوط به نیم سلول روی در حال جا به جایی در جهت برگشت است می توان واکنش انجام شده در نیم سلول روی را به صورت زیر نشان داد.

                                           Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e

شاید این سوال براتون پیش بیاد که در نوشتن معادله ی واکنش یک نیم سلول، طبق قرار داد همواره الکترون را در سمت چپ معادله ی واکنش می نویسیم.پس چرا در واکنش فوق ،الکترون را در سمت راست واکنش قرار دادیم؟

آن مطلب که الکترون باید در سمت چپ معادله ی واکنش باشد مربوط به یک نیم سلول در حال تعادل ، یعنی قبل از اتصال به نیم سلول دیگر بود.هنگامی که نیم سلول روی را به نیم سلول مس متصل می کنیم ، واکنش مورد نظر از حالت تعادل خارج می شود و در جهت اکسایش ( از دست دادن الکترون) پیش می رود به همین دلیل الکترون باید در سمت راست نیم واکنش قرار گیرد.

و اما ادامه ی داستان:

الکترون های خارج شده از الکترود روی از طریق سیم به سطح الکترود مس مهاجرت می کنند.با ورود الکترون ها به الکترود مس، تعادلی که قبل از اتصال دو نیم سلول در الکترود مس ایجاد شده بود به هم می خورد و با زیاد شدن الکترون،طبق اصل لوشاتلیه تعادل مربوط به نیم سلول مس در جهت رفت یعنی در جهت کاهش پیش می رود تا از این راه الکترون های وارد شده مصرف شوند.

(Cu²⁺(aq)+2e → Cu(s

جا به جایی تعادل فوق بدین معنا است که کاتیون های  +Cu²  موجود در محلول الکترولیت ، الکترون ها را از سطح تیغه ی مس می گیرند و خود تبدیل به اتم های Cu شده و به تیغه ی مس می چسبند .بدین ترتیب جرم تیغه ی مس افزایش یافته و در واقع تیغه ی مس چاق می شود!

حال ببینیم کدام الکترود نقش کاتد و کدام الکترود نقش آند را دارد؟

آند به الکترولیدی گفته می شود که در آن عمل اکسایش انجام می شود ، وچون عمل اکسایش(از دست دادن الکترون) در الکترود روی انجام شد ، می گوییم الکترود روی نقش آند را دارد .از طرفی کاتد به الکترودی گفته می شود که در آن عمل کاهش انجام می شود و چون عمل کاهش (گرفتن الکترون) در الکترود مس انجام شد , می گوییم الکترود مس نقش کاتد را دارد.

حالا ببینیم قطب های + و - کدام اند؟

قطب منفی (-) الکترودی است که تراکم نسبی الکترون در سطح آن بیشتر است و قطب مثبت (+) الکترودی است که تراکم نسبی الکترون در سطح آن کمتر است. از آنجا که E⁰ مربوط به نیم سلول روی منفی تر است و الکترون ها از نیم سلول روی به سمت نیم سلول مس سرازیر می شوند ، می فهمیم که تراکم نسبی الکترون در سطح الکترود روی بیشتر و در سطح الکترود مس کم تر است .پس الکترود روی نقش فطب منفی(-) و الکترود مس نقش قطب مثبت(+) را دارد.