سری الکتروشیمیایی عناصر

مقدمه سری الکتروشیمیایی

برخی از عناصر نسبت به عناصر دیگر الکترون های خود را راحت تر از دست می دهند. این یک اصل اساسی در شیمی و اساس واکنش های ردوکس است

برای بررسی جزئیات بیشتر، باید  سری‌ الکتروشیمیایی را بررسی کنیم. اما قبل از آن اطلاعاتی مقدماتی درخصوص آشنایی با نیم‌سلول‌ها، سلول‌های الکتروشیمیایی، و پتانسیل الکترود استاندارد کسب می کنیم.

نیمه واکنش ها در سری الکتروشیمیایی فلزات

 یونها یا مولکولها به سطح الکترود منتقل شده و پس از آن بسته به پتانسیل اعمال شده به الکترود ، اکسایش یا کاهش می یابد.

• اگر پتانسیل مثبت کافی به الکترود اعمال شود، مولکول ها (یا یون ها) تمایل به اکسید شدن دارند
• برعکس، اگر پتانسیل منفی به اندازه کافی به الکترود اعمال شود، مولکول ها (یا یون ها) تمایل به کاهش دارند.

کاهش در یک الکترود به این معنی است که الکترون ها  به یون یا مولکول اضافه می شوند. جریانی که در این جهت حرکت می کند جریان کاتدی است. شکل کلی نیمه واکنش کاهشی که در یک الکترود رخ می دهد ممکن است به صورت زیر نوشته شود:

O+ne –>R

که در آن n تعداد کل الکترون‌هایی است که وقتی که گونه از حالت اکسید شده (O) به شکل احیا شده (R) تبدیل می‌شود به مولکول (یا یون) اضافه می‌گردد.

اکسایش در یک الکترود به این معنی است که الکترون‌ها از یک یون یا مولکول حذف شده، از محلول خارج می‌شوند و به داخل الکترود می‌روند. جریانی که در این جهت حرکت می کند، جریان آندی است و اکسیداسیونی که در الکترود اتفاق می افتد را می توان با نیمه واکنش ردوکس زیر نشان داد:

R –> O+ne

با توجه به اینکه نیمه واکنش های الکتروشیمیایی می توانند در هر دو جهت رخ دهند، اغلب با استفاده از نماد تعادل شیمیایی به صورت زیر نوشته می شوند:

O+ne –> R

عوامل کاهنده و اکسنده در جدول الکتروشیمیایی

یک عامل کاهنده گونه دیگری را کاهش می دهد. این به این معنی است که به آن الکترون می دهد.

• منیزیم به ازدست دادن الکترون ها برای تشکیل یون تمایل دارد. لذا منیزیم  یک عامل کاهنده خوب است.

یک عامل اکسید کننده گونه دیگری را اکسید می کند. این  به این معنی است که از آن گونه الکترون می گیرد.

• مس به راحتی یون های خود را  تشکیل نمی دهد و یون های آن به آسانی الکترون ها را از منبع دیگری دریافت می کنند تا به مس فلزی برگردند. یون های مس (II) باید عامل اکسید کننده خوبی باشند.

مثالی از نیم سلول الکتروشیمیایی

هنگامی که یک میله از جنس روی در یک محلول حاوی یون‌های روی قرار گیرد، یک تعادل برقرار می‌شود:

در این تعادل، برخی از اتم‌های روی الکترون‌های خود را از دست داده و یون‌های روی را تشکیل می‌دهند.

معادله زیر این فرایند را نشان می‌دهد:

(این نوشتار مشتمل بر نمایش یون‌ها و الکترون‌ها در سمت چپ و اتم فلز در سمت راست است.)

یون‌های روی به داخل محلول حرکت کرده و الکترون‌های آزاد شده روی میله جمع می‌شوند و به میله بار منفی می‌دهند.

این وضعیت اختلاف پتانسیلی بین میله روی و محلول یون روی ایجاد میکندکه به عنوان پتانسیل الکترود شناخته می‌شود.اختلاف پتانسیل دقیق سیستم به واکنش پذیری و قدرت آزاد‌سازی الکترون‌ها توسط روی بستگی دارد.

برخی از اتم‌های مس واکنش داده، الکترون‌های خود را رها کرده و یون‌های مس را تشکیل می‌دهند. و در نهایت یک تعادل ایجاد خواهد شد. اما مس کمتر از روی واکنش‌پذیر است و در رها کردن الکترون‌های خود چندان خوب نیست .

می‌توان گفت که مس عامل احیاکننده بدتری است .یعنی اختلاف پتانسیل سیستم مسی از اختلاف پتانسیل سیستم روی، کمتر منفی است.

• سیستمی که با قرار دادن یک فلز در محلولی از یون های خودش ایجاد می شود را نیم سلول می نامیم .

سلول گالوانی روی مس

اگر نیم سلول روی و نیم سلول مسی را با سیم و پل نمکی به هم وصل کنید چه اتفاقی می افتد؟

روی عامل کاهنده بهتری از مس است (واکنش پذیرتر است و الکترون های خود را راحت تر از دست می دهد.) این بدان معنی است که اختلاف پتانسیل منفی تری نسبت به مس دارد . این موضوع  اختلاف پتانسیلی کلی بین دو سلول ایجاد می‌کند، که می‌توانیم آن را پتانسیل الکترود نیز بنامیم ، و نشان می‌دهد که این دو فلز با چه سرعتی الکترون‌های خود را از دست می دهند. اختلاف پتانسیل توسط یک ولت متر متصل به سیستم اندازه گیری می شود.

ترکیب دو نیم سلول به عنوان یک سلول الکتروشیمیایی شناخته می شود.

1. از آنجایی که روی اختلاف پتانسیل منفی بیشتری نسبت به مس دارد، تجمع الکترون های بیشتری روی میله روی وجود دارد.
2. اگر اجازه دهیم این الکترون ها جریان داشته باشند، آنگاه آنها از روی سیم که عامل کاهنده بهتر است به مس می روند که عامل کاهنده بدتری است.
3. در همین حال، یون‌های مثبت محلول از طریق پل نمک در همان جهت جریان می‌یابند تا بار را متعادل کنند.
4. اتم های روی به یون روی تبدیل می شوند و الکترون ها را از دست می دهند. یون های مس به اتم های مس تبدیل می شوند و الکترون به دست می آورند.

در اینجا دو معادله وجود دارد: