جهد القطب

في الكيمياء الكهربائية ، يُعرف جهد القطب بأنه فرق الجهد في خلية جلفانية تتكون من قطب مرجعي قياسي وقطب آخر يُراد تحديد خصائصه. ^{[ 1 ]} يُعد جهد القطب القياسي مثالًا تقليديًا لهذا المفهوم، حيث يكون قطبه المرجعي هو قطب الهيدروجين القياسي (SHE)، الذي يُعرَّف بجهد يساوي صفر فولت . ويمكن تعريفه أيضًا بأنه فرق الجهد بين القضبان المعدنية المشحونة ومحلول الملح.

ينشأ جهد القطب من فرق الجهد المتولد عند السطح الفاصل بين القطب والإلكتروليت . ومن الشائع، على سبيل المثال، الحديث عن جهد قطب زوج الأكسدة والاختزال M ⁺ /M .

يظهر جهد القطب عند السطح البيني بين القطب والإلكتروليت بسبب انتقال الأنواع المشحونة عبر السطح البيني، والامتزاز المحدد للأيونات عند السطح البيني، والامتزاز/التوجيه المحدد للجزيئات القطبية، بما في ذلك جزيئات المذيب.

في الخلية الكهروكيميائية، يكون للكاثود والأنود جهود كهربائية معينة بشكل مستقل، والفرق بينهما هو جهد الخلية:

${\displaystyle E_{\text{cell}}=E_{\text{cathode}}-E_{\text{anode}}.}$

قد يكون جهد القطب إما جهد التوازن عند قطب العمل ("جهد قابل للانعكاس")، أو جهدًا ينتج عنه تفاعل صافٍ غير صفري على قطب العمل ولكن تيار صافٍ صفري ("جهد التآكل"، " الجهد المختلط ")، أو جهدًا ينتج عنه تيار صافٍ غير صفري على قطب العمل (كما هو الحال في التآكل الجلفاني أو الفولتامترية ). ويمكن أحيانًا تحويل الجهود القابلة للانعكاس إلى جهد القطب القياسي لنوع كيميائي نشط كهربائيًا معين عن طريق استقراء القيم المقاسة إلى الحالة القياسية .

تعتمد قيمة جهد القطب الكهربائي في حالة عدم التوازن على طبيعة وتكوين الأطوار المتلامسة، وعلى حركية تفاعلات القطب الكهربائي عند السطح البيني (انظر معادلة بتلر-فولمر ).

يفترض الافتراض التشغيلي لتحديد جهود الأقطاب الكهربائية باستخدام قطب الهيدروجين القياسي أن قطب المرجع هذا مع أيون الهيدروجين في محلول مثالي له "جهد صفري عند جميع درجات الحرارة" بما يعادل المحتوى الحراري القياسي لتكوين أيون الهيدروجين "صفري عند جميع درجات الحرارة".

يتم إجراء القياس بشكل عام باستخدام إعداد ثلاثي الأقطاب (انظر الرسم التوضيحي):

1. قطب العمل ،
2. القطب المضاد ،
3. قطب مرجعي (قطب الهيدروجين القياسي أو ما يعادله).

في حالة وجود تيار صافٍ غير صفري على القطب، من الضروري تقليل انخفاض الجهد الأومي في الإلكتروليت، وذلك مثلاً بوضع قطب المقارنة بالقرب من سطح قطب العمل (انظر، على سبيل المثال، أنبوب لوجين الشعري )، أو باستخدام إلكتروليت داعم ذي موصلية عالية كافية . تُجرى قياسات الجهد بتوصيل الطرف الموجب للمقياس الكهربائي بقطب العمل والطرف السالب بقطب المقارنة.

تاريخياً، تشكلت اصطلاحان لإشارة جهد القطب الكهربائي: ^{[ 2 ]}

1. اتفاقية " نيرنست - لويس - لاتيمر " (يشار إليها أحيانًا باسم "الأمريكية")،
2. اتفاقية " جيبس - أوستوالد - ستوكهولم" (يشار إليها أحيانًا باسم "الأوروبية").

في عام ١٩٥٣ في ستوكهولم ^{[ ٣ ]،} أقرّ الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) جواز استخدام أيٍّ من الاصطلاحين؛ إلا أنه أوصى بالإجماع بتسمية المقدار المُعبَّر عنه وفقًا للاصطلاح (٢) فقط بـ"جهد القطب". ولتجنب أيّ لبسٍ محتمل، يُمكن الإشارة إلى جهد القطب المُعرَّف بهذه الطريقة أيضًا باسم جهد قطب جيبس-ستوكهولم . في كلا الاصطلاحين، يُعرَّف قطب الهيدروجين القياسي بجهد يساوي صفر فولت. ويتفق كلا الاصطلاحين أيضًا على إشارة E لتفاعل نصف الخلية عند كتابته على شكل اختزال.

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين الاتفاقيتين ^{[ 4 ]} في أنه عند عكس اتجاه تفاعل نصف الخلية كما هو مكتوب ، وفقًا للاتفاقية (1)، تتغير إشارة E أيضًا، بينما لا تتغير في الاتفاقية (2). يكمن المنطق وراء تغيير إشارة E في الحفاظ على العلاقة الصحيحة بين الإشارة وتغير طاقة غيبس الحرة ، المعطاة بالعلاقة ΔG = −nFE، حيث n هو عدد الإلكترونات المشاركة و F هو ثابت فاراداي . يُفترض أن نصف التفاعل متوازن بنصف تفاعل قطب الهيدروجين القياسي (SHE) المناسب. بما أن ΔG يتغير إشارته عند كتابة التفاعل عكسيًا، فإن مؤيدي الاتفاقية (1) يجادلون بأنه ينبغي أن تتغير إشارة E أيضًا. بينما يجادل مؤيدو الاتفاقية (2) بأن جميع جهود الأقطاب الكهربائية المُبلغ عنها يجب أن تتوافق مع الإشارة الكهروستاتيكية لفرق الجهد النسبي.

يمكن تحديد جهد الخلية المكونة من قطبين كهربائيين من خلال جهدي القطبين الكهربائيين الفرديين باستخدام

${\displaystyle \Delta V_{\text{cell}}=E_{\text{red,cathode}}-E_{\text{red,anode}}}$لكن الأمر يعتمد على الظروف.

أو، على نحو مماثل،

${\displaystyle \Delta V_{\text{cell}}=E_{\text{red,cathode}}+E_{\text{oxy,anode}}.}$

يستند هذا إلى تعريف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) لفرق الجهد الكهربائي للخلية الجلفانية، ^{[ 5 ]} والذي ينص على أن فرق الجهد الكهربائي للخلية هو الفرق بين جهدي قطبيها الأيمن والأيسر. عندما يكون _{فرق الجهد} (ΔV ) موجبًا، فإن الشحنة الكهربائية الموجبة تتدفق عبر الخلية من القطب الأيسر ( المصعد ) إلى القطب الأيمن ( المهبط ).

• الجهد المطلق للقطب الكهربائي
• الجهد الكهربائي
• جهد غالفاني
• معادلة نيرنست
• الجهد الزائد
• فرق الجهد (الفولتية)
• جهد القطب القياسي
• جدول جهود الأقطاب الكهربائية القياسية
• النشاط الديناميكي الحراري
• جهد فولت