اکسیداسیون و احیا در واکنش های الکتروشیمیایی

الکتروشیمی شاخه‌ای از شیمی است که به مطالعه تبادل انرژی شیمیایی و انرژی الکتریکی از طریق واکنش‌های ردوکس می‌پردازد. واکنش های ردوکس شامل انتقال الکترون بین گونه های شیمیایی است که منجر به پدیده اکسیداسیون و کاهش می شود. در این مقاله به بررسی مفاهیم اکسیداسیون و کاهش در واکنش های الکتروشیمیایی می پردازیم و مثال هایی برای توضیح این مفاهیم ارائه می دهیم.

اکسیداسیون و احیا
اکسیداسیون فرآیندی است که در آن یک گونه شیمیایی الکترون های خود را از دست می دهد و در نتیجه حالت اکسیداسیون آن افزایش می یابد. از طرف دیگر احیا فرآیندی است که در آن یک گونه شیمیایی الکترون به دست می آورد که منجر به کاهش حالت اکسیداسیون آن می شود. این دو فرآیند همیشه در واکنش‌های ردوکس با هم جفت می‌شوند، زیرا الکترون‌هایی که توسط یک گونه در فرآیند اکسیداسیون از دست می‌رود، توسط گونه دیگری در فرآیند احیا به دست می‌آیند.

سلول های الکتروشیمیایی

سلول های الکتروشیمیایی دستگاه هایی هستند که از واکنش های ردوکس برای تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی یا بالعکس استفاده می کنند. دو نوع اصلی سلول های الکتروشیمیایی وجود دارد:

سلول های گالوانیکی (همچنین به عنوان سلول های ولتایی شناخته می شود)

 سلول های الکترولیتی.

در یک سلول گالوانیکی، واکنش ردوکس خود به خود است و انرژی الکتریکی تولید می کند، در حالی که در سلول الکترولیتی، انرژی الکتریکی برای ایجاد یک واکنش ردوکس غیر خود به خودی استفاده می شود.

مثال: سلول گالوانیکی
یکی از نمونه های رایج سلول های گالوانیکی، سلول دانیل است که از یک الکترود مس غوطه ور در محلول سولفات مس (II) و یک الکترود روی غوطه ور در محلول سولفات روی تشکیل شده است. دو نیمه واکنشی که در این سلول رخ می دهد عبارتند از:

در الکترود مس:

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

در الکترود روی:

^-Zn → Zn²⁺ + 2e

در این مثال، الکترود مس تحت کاهش (به دست آوردن الکترون)، در حالی که الکترود روی تحت اکسیداسیون (از دست دادن الکترون) قرار می گیرد. جریان الکترون ها از الکترود روی به الکترود مسی از طریق یک مدار خارجی انرژی الکتریکی تولید می کند.

مثال: سلول الکترولیتی
نمونه ای از سلول های الکترولیتی، الکترولیز آب است که شامل تجزیه آب به اکسیژن و گاز هیدروژن است. واکنش کلی برای این فرآیند عبارت است از:

2H2O → 2H2 + O2

در طول الکترولیز، از یک منبع خارجی انرژی الکتریکی برای هدایت واکنش ردوکس غیر خود به خودی استفاده می شود، که باعث می شود آب در آند (تولید گاز اکسیژن) تحت اکسیداسیون و در کاتد (تولید گاز هیدروژن) کاهش یابد.

 کاربردها
واکنش‌های الکتروشیمیایی نقش مهمی در فرآیندها و فناوری‌های مختلف صنعتی ایفا می‌کنند. به عنوان مثال، آبکاری فرآیندی است که از سلول های الکترولیتی برای رسوب یک لایه فلز بر روی یک سطح رسانا برای اهداف تزئینی یا کاربردی استفاده می کند. باتری ها و پیل های سوختی نیز بر اساس اصول الکتروشیمیایی هستند و از واکنش های ردوکس برای ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی استفاده می کنند.

در نتیجه میتوان گفت اکسیداسیون و احیا فرآیندهای اساسی در الکتروشیمی هستند که بر تبادل الکترون ها و تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی و بالعکس حاکم هستند. درک این فرآیندها برای توسعه فناوری‌ها و کاربردهای جدید در زمینه‌هایی مانند ذخیره انرژی، جلوگیری از خوردگی و سنتز مواد ضروری است.