سلول گالوانی انرژی یک واکنش اکسایشـکاهش خودبهخودی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. برای تحلیل این سلول لازم نیست شکل آن را حفظ کنی؛ کافی است مشخص کنی کدام گونه الکترون از دست میدهد، کدام گونه الکترون میگیرد و بار در هر بخش چگونه متعادل میماند. در ادامه، این منطق را از نیمواکنشها تا محاسبه نیروی محرکه سلول قدمبهقدم دنبال میکنیم.
واکنش اکسایشـکاهش را به دو نیمواکنش تقسیم کن
در هر واکنش اکسایشـکاهش، انتقال الکترون رخ میدهد. اکسایش یعنی از دستدادن الکترون و افزایش عدد اکسایش؛ کاهش یعنی گرفتن الکترون و کاهش عدد اکسایش. این دو فرایند همیشه همزماناند، زیرا الکترون تولیدشده در یک نیمواکنش باید در نیمواکنش دیگر مصرف شود.
برای نمونه در واکنش Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)، روی با تبدیلشدن به Zn²⁺ دو الکترون از دست میدهد و اکسایش مییابد. یون Cu²⁺ همان دو الکترون را میگیرد و به مس فلزی کاهش مییابد.
- اکسایش: Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
- کاهش: Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)
- تعداد الکترونهای تولیدشده و مصرفشده باید برابر باشد
آند و کاتد را از نوع نیمواکنش بشناس
الکترودی که اکسایش در آن رخ میدهد آند و الکترودی که کاهش در آن رخ میدهد کاتد نام دارد. این تعریف از علامت الکترود مطمئنتر است. در سلول گالوانی، آند قطب منفی و کاتد قطب مثبت است؛ الکترونها نیز در مدار خارجی از آند به کاتد حرکت میکنند.
در سلول رویـمس، تیغه روی آند است و با ورود اتمهای Zn به محلول، جرم آن بهتدریج کاهش مییابد. تیغه مس کاتد است و با رسوب Cu روی آن، جرمش افزایش پیدا میکند. البته تغییر جرم الکترود زمانی به همین سادگی پیشبینی میشود که خود فلز الکترود در نیمواکنش شرکت کند.
- آند: محل اکسایش و مبدأ حرکت الکترون
- کاتد: محل کاهش و مقصد حرکت الکترون
- در سلول گالوانی: آند منفی و کاتد مثبت
پل نمکی چرا برای ادامه کار سلول لازم است؟
اگر دو نیمسلول فقط با سیم به هم متصل شوند، انتقال کوتاهمدت الکترون باعث انباشت بار در محلولها میشود و واکنش خیلی زود متوقف خواهد شد. پل نمکی با جابهجایی یونها، خنثیبودن الکتریکی محلولهای دو نیمسلول را حفظ و مدار را کامل میکند؛ اما الکترونها از پل نمکی عبور نمیکنند.
در نیمسلول آندیِ روی، تولید Zn²⁺ بار مثبت محلول را بیشتر میکند؛ بنابراین آنیونهای پل نمکی به سوی آند میروند. در نیمسلول کاتدی، مصرف Cu²⁺ از بار مثبت محلول میکاهد؛ پس کاتیونهای پل نمکی به سوی کاتد حرکت میکنند. نمک پل باید محلول باشد و یونهای آن با مواد دو نیمسلول واکنش ناخواسته ندهند.
نیروی محرکه استاندارد سلول را محاسبه کن
جدول پتانسیلهای استاندارد کاهش نشان میدهد هر نیمواکنش تا چه اندازه تمایل به کاهش دارد. نیمواکنشی که پتانسیل کاهش بزرگتری دارد، در شرایط استاندارد کاتد میشود. سپس از رابطه E°cell = E°cathode − E°anode استفاده میکنیم؛ هر دو عدد را به صورت پتانسیل کاهش از جدول برمیداریم.
ضریبزدن در نیمواکنش برای برابرکردن تعداد الکترونها، مقدار پتانسیل الکترودی را تغییر نمیدهد. پتانسیل کمیتی شدتی است؛ بنابراین اگر یک نیمواکنش را در ۲ ضرب کردی، E° آن را در ۲ ضرب نکن. مثبتبودن E°cell نشان میدهد واکنش نوشتهشده در شرایط استاندارد خودبهخودی است.
مثال حلشده: سلول رویـمس
پتانسیل استاندارد کاهش Cu²⁺/Cu برابر +0.34 V و پتانسیل استاندارد کاهش Zn²⁺/Zn برابر −0.76 V است. چون مقدار مربوط به مس بزرگتر است، کاهش Cu²⁺ در کاتد رخ میدهد و روی در آند اکسایش مییابد. مسیر الکترون در سیم از الکترود روی به الکترود مس است.
اکنون E°cell = 0.34 − (−0.76) = 1.10 V. مثبتبودن پاسخ با خودبهخودیبودن واکنش Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s) سازگار است. نمایش قراردادی این سلول به صورت Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s) نوشته میشود؛ آند در سمت چپ و کاتد در سمت راست قرار دارد.
نکات کلیدی و خطاهای رایج
بهترین روش حل این است که پیش از استفاده از فرمول، دو نیمواکنش را بنویسی و محل اکسایش و کاهش را مشخص کنی. در پایان نیز جهت حرکت الکترون، جهت حرکت یونهای پل نمکی و علامت E°cell را با تصویر ذهنی سلول کنترل کن.
- الکترون در سیم حرکت میکند، نه در پل نمکی
- جهت جریان قراردادی خلاف جهت حرکت الکترون است
- آنیونهای پل نمکی به سوی آند و کاتیونها به سوی کاتد میروند
- پتانسیل استاندارد را با ضریب موازنه ضرب نکن
- برای رابطه سلول، پتانسیل کاهش کاتد را منهای پتانسیل کاهش آند کن
برای هر سلول این مسیر عملی را اجرا کن: نیمواکنشها را بنویس، اکسایش و کاهش را تعیین کن، آند و کاتد و جهت الکترون را مشخص کن، سپس E°cell را حساب کن و با علامت آن خودبهخودیبودن واکنش را بسنج.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.