دليل المبتدئين لفهم الأقطاب الكهربائية المرجعية في الكيمياء الكهربائية

مقدمة في الأقطاب الكهربائية المرجعية

الأقطاب المرجعية هي أدوات أساسية في الكيمياء الكهربائية لقياس جهود القطب. إنها توفر إمكانات مستقرة ومعروفة يمكن مقارنة الأقطاب الكهربائية الأخرى بها ، مما يسمح بقياسات دقيقة للتفاعلات الكهروكيميائية. يتكون القطب المرجعي من نصف خلية يتم إنشاؤها باستخدام جهد قطب كهربائي محدد يمكن قياس جهد غير معروف مقابله. يتم توصيله بشكل عام بقطب كهربائي عامل وقطب كهربائي مساعد لتشكيل خلية كهروكيميائية. يجب أن يكون للقطب المرجعي إمكانات مستقرة لا تتأثر بتركيب المحلول ودرجة الحرارة وعوامل أخرى. في الأقسام التالية ، سوف نستكشف الغرض من الأقطاب الكهربائية المرجعية وبنائها وأنواعها بمزيد من التفصيل.

الغرض من الأقطاب الكهربائية المرجعية

تعتبر الأقطاب الكهربائية المرجعية أداة أساسية في الكيمياء الكهربائية ، وتعمل كنقطة مرجعية ثابتة لقياس فرق الجهد بين قطبين. وهي مصممة لتكون لها إمكانات مستقرة ومعروفة ، والتي يمكن استخدامها كنقطة مقارنة للأقطاب الكهربائية الأخرى في النظام. الغرض من القطب المرجعي هو ضمان قياسات دقيقة وقابلة للتكرار في التجارب الكهروكيميائية.

إمكانات الكهربائي

بالنسبة للقياسات الكهروكيميائية ، من الضروري أن يكون لديك نقطة مرجعية ذات جهد ثابت. يتكون التفاعل الكيميائي الكلي الذي يحدث في الخلية من تفاعلين نصفين مستقلين ، يصفان التغيرات الكيميائية في القطبين. للتركيز على التفاعل في القطب العامل ، يتم توحيد القطب المرجعي بتركيزات ثابتة (مخزنة أو مشبعة) لكل مشارك في تفاعل الأكسدة والاختزال.

أكمل الدائرة الكهربائية

الغرض من القطب المرجعي هو إكمال الدائرة الكهربائية اللازمة للقياس الكهروكيميائي من خلال توفير القطب الثاني لخلية قطب كهربي كاملة يتم قياس إمكاناتها الإجمالية. يحقق القطب المرجعي ذلك من خلال توفير اتصال مع العينة من خلال تقاطع السائل الخاص به. لكي يكون الإلكترود المرجعي مفيدًا ، يجب أن يوفر كلاً من إمكانات مستقرة وقابلة للتكرار يمكن بها مقارنة إمكانات القطب الموضح.

الدقة وقابلية الاستنساخ

تلعب الأقطاب الكهربائية المرجعية دورًا مهمًا في ضمان دقة البيانات واستنساخها. يجب أن تظل إمكانات القطب المرجعي ثابتة طوال التجربة للحفاظ على دقة القياسات. يمكن أن يؤثر أي اختلاف في إمكانات القطب المرجعي على إمكانات القطب العامل ، وبالتالي على دقة التجربة.

أنواع الأقطاب الكهربائية المرجعية

هناك أنواع مختلفة من الأقطاب الكهربائية المرجعية ، بما في ذلك قطب كلوريد الفضة / الفضة ، وقطب كالوميل ، وقطب كالوميل مشبع ، وقطب Ag / Ag2S. يعتمد اختيار القطب المرجعي على التطبيق. قطب الفضة / كلوريد الفضة هو القطب المرجعي الأكثر استخدامًا ، وله إمكانات ثابتة تبلغ +0.197 فولت مقابل قطب الهيدروجين القياسي. تشمل الأقطاب المرجعية الأخرى قطب كالوميل ، وقطب كالوميل مشبع ، وقطب Ag / Ag2S.

تطبيقات أخرى

بالإضافة إلى استخدامها في التجارب الكهروكيميائية ، تُستخدم الأقطاب الكهربائية المرجعية أيضًا في تطبيقات أخرى ، مثل قياس الأس الهيدروجيني ومراقبة التآكل. يمكن استخدام إمكانات القطب المرجعي لتحديد الرقم الهيدروجيني للمحلول ، ويمكن استخدامه أيضًا لمراقبة تآكل المعادن.

باختصار ، تلعب الأقطاب الكهربائية المرجعية دورًا مهمًا في التجارب الكهروكيميائية ، مما يوفر إمكانات مستقرة وقابلة للتكرار لقياسات دقيقة. يعتمد اختيار القطب المرجعي على متطلبات التطبيق ، ومن الضروري الحفاظ على إمكانات القطب المرجعي طوال التجربة لضمان الدقة وإمكانية التكاثر.

بناء أقطاب كهربائية مرجعية

تُستخدم الأقطاب الكهربائية المرجعية لإنشاء إمكانات مرجعية مستقرة يمكن من خلالها قياس إمكانات القطب العامل. يشتمل بناء قطب مرجعي على ثلاثة مكونات رئيسية: جهد قطب مرجعي ، ومحلول إلكتروليتي ، وجسم قطب كهربائي.

جهد القطب المرجعي

يتم إنشاء جهد القطب المرجعي باستخدام تفاعل نصف خلية ، والذي يولد إمكانات مستقرة. يتكون تفاعل نصف الخلية عادةً من زوج أيون معدني / معدني ، مثل Ag / Ag + أو Cu / Cu2 + زوج. هذا يولد إمكانات مستقرة يمكن استخدامها كمرجع للقياسات الكهروكيميائية.

محلول المنحل بالكهرباء

عادةً ما يكون محلول الإلكتروليت عبارة عن محلول ملح يربط القطب المرجعي بالقطب الكهربي العامل. محلول الإلكتروليت الأكثر استخدامًا هو KCl المشبع ، والذي يستخدم في بناء قطب كالوميل المشبع (SCE). تشمل محاليل الإلكتروليت الأخرى NaCl و LiCl و HCl.

هيئة القطب

يتكون جسم القطب الكهربي من مادة خاملة كيميائيًا وموصل للكهرباء ، مثل الفضة أو البلاتين أو الذهب. عادة ما يتم طلاء جسم القطب الكهربي بطبقة من المعدن أو أكسيد المعدن في حالة توازن مع محلول الإلكتروليت. تعمل هذه الطبقة كسطح القطب النشط وهي مسؤولة عن الحفاظ على إمكانات مرجعية مستقرة.

القطب المرجعي الأكثر استخدامًا هو قطب كالوميل المشبع (SCE). يتكون SCE من جهد قطب كهربائي Hg / Hg2Cl2 ، ومحلول إلكتروليت KCl ، وجسم قطب كهربائي زجاجي. يتم تحديد جهد القطب الكهربي Hg / Hg2Cl2 من خلال تفاعل نصف الخلية التالي:

Hg2Cl2 (s) + 2e- ↔ 2Hg (l) + 2Cl- (aq)

يعمل محلول الإلكتروليت KCl على توصيل SCE بالقطب الكهربي العامل ، بينما يوفر الجسم الزجاجي الدعم الميكانيكي للقطب الكهربي.

قطب مرجعي آخر شائع الاستخدام هو قطب Ag / AgCl. يتم إنشاء إمكانات القطب Ag / AgCl من خلال تفاعل نصف الخلية التالي:

AgCl (s) + e- ↔ Ag (s) + Cl- (aq)

يمكن بناء قطب Ag / AgCl باستخدام سلك فضي كجسم قطب كهربائي وطبقة من AgCl كسطح قطب كهربائي نشط.

بشكل عام ، يعد فهم بناء الأقطاب الكهربائية المرجعية أمرًا ضروريًا للقياسات الكهروكيميائية ، لأنه يتيح اختيار القطب المرجعي المناسب لتطبيق معين. يمكن أن يؤثر اختيار القطب المرجعي بشكل كبير على دقة وموثوقية القياسات الكهروكيميائية ، وبالتالي ، من الأهمية بمكان اختيار القطب المرجعي المناسب لتطبيق معين.

الوصلات السائلة في الأقطاب الكهربائية المرجعية

تعتبر الأقطاب الكهربائية المرجعية ضرورية للقياسات الدقيقة والنتائج الموثوقة في التجارب الكهروكيميائية. أحد الجوانب المهمة للأقطاب المرجعية هو الوصلات السائلة ، وهي النقاط التي يلتقي فيها محلول الإلكتروليت للقطب المرجعي بالمحلول الذي يتم قياسه. عندما يتم وضع قطب كهربائي مرجعي في العينة ، يتطور جهد عند التقاطع حيث يلتقي محلول الملء المرجعي والعينة - الموصل السائل. تتطور هذه الإمكانية لأن محلول الملء المرجعي له تركيبة مختلفة عن العينة. تم تصميم الوصلة السائلة للسماح بتداخل الأيونات بين محلول التعبئة المرجعي والعينة.

أهمية التقاطعات السائلة

لضمان قياسات دقيقة ، من الضروري استخدام أقطاب مرجعية ذات وصلات سائلة جيدة التصميم تقلل من فرق الجهد. تنشأ إمكانية الوصلة ، التي يمكن أن تؤثر على دقة القياسات ، في هذه النقاط بسبب الاختلافات في التركيزات الأيونية. لذلك ، فإن الاختيار الدقيق لمادة الوصلة السائلة ومحلول الملء المرجعي المستخدم ضروريان للتحكم في كل من حجم وثبات إمكانات الوصلة المرجعية.

حلول تعبئة المرجع

يجب أن تفي حلول تعبئة المرجع المثالية لأي تطبيق معين بمتطلبات محددة. يجب ألا يتفاعل إلكتروليت محلول الملء مع العينة أو يلوثها. يجب أن يوفر محلول الملء الأيونات السائدة (في التركيز) الموجودة في واجهة الوصلة السائلة. يجب أن تكون معدلات انتشار كل من الكاتيونات والأنيونات الخاصة بالكهرباء في محلول الملء أقرب ما يكون إلى المساواة قدر الإمكان. أحد الأمثلة على المطلب الأول هو محلول الملء المرجعي النموذجي لتفاعل KCl مع عينة تحتوي على الفضة لتكوين كلوريد الفضة.

التوصيل الأيوني المكافئ

يمكن مقارنة قدرة أيون على حمل شحنة كهربائية بناءً على توصيله المكافئ الأيوني (λ0 ، mho-cm / ما يعادله / لتر). يمكن أن تختلف الموصلية المكافئة الأيونية للأيونات المختلفة في المحاليل المختلفة بشكل كبير. على سبيل المثال ، يحتوي البوتاسيوم على توصيل مكافئ مقيد قدره 73.5 ، بينما يحتوي كلوريد على توصيل مكافئ مقيد يبلغ 76.4. إن قيم التوصيل المكافئة المحددة الأعلى لـ H + و OH- تجعل تحقيق التحويل المتكافئ في الأحماض القوية والقواعد القوية أمرًا صعبًا.

أنواع مختلفة من الوصلات السائلة

هناك فئتان أساسيتان من التقاطعات السائلة - تقاطعات "متدفقة" و "منتشرة". تسمح الوصلات المتدفقة للإلكتروليت بكامله (سائل / جل وكل) بالاتصال بالعينة من خلال التقاطع. من ناحية أخرى ، يسمح تقاطع الانتشار لأيونات الإلكتروليت بالمرور عبر التقاطع وإلى عينة الاختبار.

السيراميك الحلقي ، الفتيل الخزفي ، PTFE (التفلون) ، الغلاف الزجاجي ، والفتحة المفتوحة هي الأنواع المختلفة للوصلات السائلة المتوفرة للأقطاب المرجعية. يعتمد اختيار نوع التقاطع السائل في الغالب على التطبيق. على سبيل المثال ، الوصل الخزفي الحلقي مناسب لمعظم التطبيقات العامة من نوع المختبر ، بينما يستخدم تقاطع الفتحة المفتوحة عادةً في التطبيقات التي تحتوي على نسبة عالية من المواد الصلبة وفي المعلقات / المستحلبات.

في الختام ، فإن فهم أهمية الوصلات السائلة في الأقطاب الكهربائية المرجعية أمر بالغ الأهمية للقياسات الدقيقة والنتائج الموثوقة في التجارب الكهروكيميائية. يعد الاختيار الدقيق لمادة الوصلة السائلة ومحلول الملء المرجعي المستخدم ضروريًا للتحكم في حجم وثبات إمكانات الوصلة المرجعية. يعتمد اختيار نوع التقاطع السائل في الغالب على التطبيق.

أنواع الأقطاب الكهربائية المرجعية المائية

عند إجراء التجارب الكهروكيميائية ، من المهم أن يكون لديك قطب كهربائي مرجعي لقياس إمكانات القطب العامل. تتوفر أنواع مختلفة من الأقطاب الكهربائية المرجعية المائية ، ولكل منها مزاياها وعيوبها.

قطب كلوريد الفضة / الفضة

النوع الأكثر شيوعًا من القطب المرجعي المائي هو قطب الفضة / كلوريد الفضة. إنه سهل الاستخدام وله إمكانات مستقرة ، مما يجعله خيارًا شائعًا للعديد من التطبيقات.

كالوميل القطب

القطب المرجعي المائي الآخر المستخدم على نطاق واسع هو قطب كالوميل. إنها منخفضة التكلفة وموثوقة ، لكنها تحتوي على الزئبق السام ، مما يجعلها أقل صداقة للبيئة.

القطب كالوميل المشبع

يعد قطب الكالوميل المشبع قطبًا مرجعيًا أكثر دقة ، ولكنه أيضًا أكثر تكلفة ويتطلب معالجة دقيقة.

أنواع أخرى من الأقطاب الكهربائية المرجعية المائية

تشمل الأنواع الأخرى من الأقطاب الكهربائية المرجعية المائية قطب النحاس / كبريتات النحاس ، وقطب الزئبق / كبريتات الزئبق ، وقطب الهيدروجين. كل قطب مرجعي له تطبيقاته الخاصة ، ومن المهم اختيار القطب المرجعي المناسب بناءً على متطلبات التجربة.

يعد فهم الأنواع المختلفة للأقطاب المرجعية المائية أمرًا بالغ الأهمية للمبتدئين في الكيمياء الكهربائية ، حيث يمكن أن يؤثر على دقة وموثوقية النتائج التجريبية. من المهم ملاحظة أنه يجب تخزين الأقطاب المرجعية المائية Ag / AgCl المتوفرة تجارياً في الظلام ومغمورة في محاليل مماثلة للمحلول داخل القطب المرجعي ، وعادةً ما يكون KCl مشبعًا.

من الضروري أيضًا منع فريت من الجفاف ، والذي يتسبب في تبلور ملح الإلكتروليت في المسام وجعله غير صالح للاستخدام. يمكن اختبار سلامة مزيج فريت فيكور من خلال محاولة ضغط السائل من خلاله باستخدام لمبة ماصة ؛ إذا كان يتم ترشيح السوائل بسهولة ، يجب استبدال مزيج مزيج فيكور.

بالنسبة للتجارب الكهروكيميائية غير المائية ، يمكن صنع قطب مرجعي بسهولة من مقصورات أقطاب مرجعية زجاجية (أو معاد تدويرها) متاحة تجاريًا (أو معاد تدويرها) ، وفريتس فيكور ، وأسلاك فضية. كما في حالة الأقطاب الكهربائية المرجعية المائية ، يجب غمر السلك الفضي في محلول من نفس المذيب الذي يحتوي على نفس تركيز ملح الإلكتروليت (يفضل استخدام نفس الملح) مثل المحلول المحتوي على المادة التحليلية.

في الختام ، فإن فهم الأنواع المختلفة من الأقطاب الكهربائية المرجعية المائية أمر بالغ الأهمية للمبتدئين في الكيمياء الكهربائية. من المهم اختيار القطب المرجعي المناسب بناءً على متطلبات التجربة حيث يمكن أن يؤثر على دقة وموثوقية النتائج التجريبية.

عداد القطب (CE) في الكيمياء الكهربائية

في الخلية الكهروكيميائية ، تُستخدم الأقطاب الكهربائية المرجعية لقياس فرق الجهد بين خليتين نصفيتين. أحد المكونات الأساسية للقطب المرجعي هو قطب العداد (CE) ، المعروف أيضًا باسم القطب الإضافي.

دور القطب الكهربي المضاد

يعتبر CE أمرًا حاسمًا في إكمال الدائرة الكهربائية في خلية كهروكيميائية. يتمثل دورها في توفير إمكانات كهربائية مستقرة ومتسقة ، مما يساعد على الحفاظ على تدفق التيار في الدائرة. عادة ما تكون مصنوعة من مادة خاملة ، مثل البلاتين ، ويتم وضعها بالقرب من القطب الكهربائي العامل. لا تشارك CE في التفاعل الكهروكيميائي ولكنها توفر إمكانات كهربائية مستقرة تستخدم كمرجع لقياس فرق الجهد.

إلكترود عداد في تجهيزات ثنائية القطب

تُستخدم الإعدادات ثنائية القطب في الحالات التي يكون فيها قياس جهد الخلية بالكامل مهمًا ، على سبيل المثال ، في أجهزة الطاقة الكهروكيميائية مثل البطاريات وخلايا الوقود والمكثفات الفائقة. يمكن توقع عدم انحراف إمكانات CE على مدار التجربة. يحدث هذا بشكل عام في الأنظمة التي تظهر تيارات منخفضة جدًا أو نطاقات زمنية قصيرة نسبيًا والتي تحتوي أيضًا على عداد جيد الاتزان ، على سبيل المثال ، قطب كهربائي يعمل بالجزئي وقطب كهربائي عداد فضى أكبر بكثير.

القطب الكهربائي المضاد في تجارب ثلاثة أقطاب كهربائية

في وضع الأقطاب الثلاثة ، يتم فصل السلك المرجعي عن العداد وتوصيله بقطب كهربي ثالث. يتم وضع هذا القطب بحيث يقيس نقطة قريبة جدًا من القطب الكهربائي العامل. تتمتع الأجهزة المكونة من ثلاثة أقطاب بميزة تجريبية مميزة مقارنة بالإعدادات ثنائية القطب: فهي تقيس نصف الخلية فقط. بمعنى ، يتم قياس التغييرات المحتملة في القطب العامل بشكل مستقل عن التغييرات التي قد تحدث في القطب الكهربائي المضاد. تسمح هذه العزلة بدراسة رد فعل معين بثقة ودقة. لهذا السبب ، يعد الوضع ثلاثي الأقطاب هو الإعداد الأكثر شيوعًا المستخدم في التجارب الكهروكيميائية.

القطب الكهربائي المضاد في تجارب أربعة أقطاب كهربائية

في وضع الأقطاب الكهربائية الأربعة ، يتم فصل الرصاص العامل عن القطب العامل ، كما كان (بالإضافة إلى) الرصاص المرجعي. تقيس الإعدادات ذات الأقطاب الأربعة الجهد على طول خط BD في الشكل 3 ، حيث قد يكون هناك بعض "العوائق" عند C. هذا الإعداد غير شائع نسبيًا في الكيمياء الكهربائية ، على الرغم من أن له مكانه. في وضع 4-القطب ، لا يتم قياس إمكانات أي تفاعلات كهروكيميائية تحدث عند العمل (والعداد) القطب (الأقطاب). ما يتم قياسه هو تأثير التيار المطبق على المحلول نفسه أو بعض العوائق في هذا المحلول.

فصل القطب الكهربي المضاد والتغيير المحتمل

إذا كان هناك بعض القلق من أن منتج التفاعل الإلكتروليتي في القطب الكهربائي المضاد قد يؤثر على تفاعل التحليل الكهربائي المطلوب ، فمن المستحسن وضع قطب العداد في حجرة منفصلة عن القطب العامل. بشكل خاص في التحليل الكهربائي السائب ، من أجل تجنب التحليل الكهربائي العكسي لمنتج الإلكترود العامل في قطب العداد ، يجب تثبيته في حجرة مفصولة بغشاء التبادل الأيوني أو مرشح السيراميك.

يتم تنظيم إمكانات القطب العامل بشكل واضح فيما يتعلق بإمكانيات القطب المرجعي بواسطة potentiostat ، ومع ذلك ، فإن إمكانات القطب الكهربائي المضاد غير معروفة. يهتز جهد قطب العداد بعد القيمة الحالية لقطب العمل. في قطب العداد ، إذا كان تفاعل القطب الداعم غير كافٍ ، فيجب أيضًا زيادة الجهد الزائد. بالنظر إلى ذلك ، يجب زيادة مساحة سطح قطب العداد قدر الإمكان ، ويجب تقليل كثافة التيار.

خاتمة

في الختام ، يعد قطب العداد مكونًا أساسيًا في نظام القياس الكهروكيميائي. يتمثل دورها في توفير إمكانات كهربائية مستقرة ومتسقة ، مما يساعد على الحفاظ على تدفق التيار في الدائرة. لا يشارك قطب العداد في التفاعل الكهروكيميائي ولكنه يوفر جهدًا كهربائيًا ثابتًا يستخدم كمرجع لقياس فرق الجهد. يعد فهم أهمية القطب الكهربائي المضاد في الكيمياء الكهربائية أمرًا حيويًا للمبتدئين لتقدير أهمية الأقطاب الكهربائية المرجعية في القياسات الكهروكيميائية.

اتصل بنا للحصول على استشارة مجانية

تم الاعتراف بمنتجات وخدمات KINTEK LAB SOLUTION من قبل العملاء في جميع أنحاء العالم. سيسعد موظفونا بمساعدتك في أي استفسار قد يكون لديك. اتصل بنا للحصول على استشارة مجانية وتحدث إلى أحد المتخصصين في المنتج للعثور على الحل الأنسب لاحتياجات التطبيق الخاص بك!