في الخلية الكهروكيميائية، الطاقة المتوفرة لدفع الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود هي الطاقة الحرة للتفاعل الكيميائي. تُعرَّف الطاقة الحرة للتفاعل الكيميائي بأنها الفرق بين الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة والطاقة الحرة للمنتجات. عندما يكون التفاعل الكيميائي تلقائيًا، فإن الطاقة الحرة للمنتجات تكون أقل من الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة. وهذا يعني أن التفاعل ينتج طاقة يمكن استخدامها لدفع الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود.
يمكن حساب الطاقة الحرة للتفاعل الكيميائي باستخدام المعادلة التالية:
ΔG = ΔH - TΔS
حيث:
- ΔG هي الطاقة الحرة للتفاعل الكيميائي
- ΔH هي تغير الإنثالبي للتفاعل الكيميائي
- T هي درجة الحرارة
- ΔS هي تغير الإنتروبيا للتفاعل الكيميائي
إذا كانت ΔG سالبة، فإن التفاعل يكون تلقائيًا.
في الخلية الكهروكيميائية، يحدث تفاعل أكسدة في الأنود وتفاعل اختزال في الكاثود. في تفاعل الأكسدة، يفقد الذرة أو الجزيء إلكترونًا، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الحرة. وفي تفاعل الاختزال، تكتسب الذرة أو الجزيء إلكترونًا، مما يؤدي إلى انخفاض الطاقة الحرة.
يمكن حساب الفرق في الطاقة الحرة بين تفاعل الأكسدة وتفاعل الاختزال باستخدام المعادلة التالية:
ΔG = ΔG_اختزال - ΔG_أكسدة
حيث:
- ΔG هي الفرق في الطاقة الحرة بين تفاعل الأكسدة وتفاعل الاختزال
- ΔG_اختزال هي الطاقة الحرة لتفاعل الاختزال
- ΔG_أكسدة هي الطاقة الحرة لتفاعل الأكسدة
إذا كانت ΔG سالبة، فإن التفاعل يكون تلقائيًا.
في معظم الخلايا الكهروكيميائية، يكون ΔG سالبًا، مما يعني أن التفاعل الكيميائي تلقائيًا. وهذا يعني أن هناك طاقة متوفرة لدفع الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود.
يمكن استخدام الطاقة المتوفرة في الخلية الكهروكيميائية لتشغيل الأجهزة الكهربائية، مثل البطاريات. يمكن أيضًا استخدامها لإنتاج الوقود، مثل خلايا الوقود.
فيما يلي بعض الأمثلة على كيفية استخدام الطاقة المتوفرة في الخلية الكهروكيميائية:
- تستخدم البطاريات الطاقة المتوفرة في الخلية الكهروكيميائية لتشغيل الأجهزة الكهربائية المحمولة، مثل الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية.
- تستخدم خلايا الوقود الطاقة المتوفرة في الخلية الكهروكيميائية لإنتاج الكهرباء من الهيدروجين والأكسجين.
- تستخدم الطلاء بالكهرباء الطاقة المتوفرة في الخلية الكهروكيميائية لتطبيق طبقة معدنية على سطح آخر.
تُستخدم الخلايا الكهروكيميائية في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك الإلكترونيات والطاقة والتصنيع.
