جسر الملح

في الكيمياء الكهربائية ، يُعدّ الجسر الملحي أو الجسر الأيوني أداةً مخبريةً أساسيةً لتقليل جهد الوصلة السائلة في الخلية الكهروكيميائية . وقد استُخدم الجسر الملحي لأكثر من مئة عام. ^{[ 1 ]} وهو يحتوي على محلول إلكتروليتي ، عادةً ما يكون محلولًا خاملًا، يُستخدم لربط نصفي خليتي الأكسدة والاختزال في الخلية الجلفانية (الخلية الفولتية)، وهي نوع من الخلايا الكهروكيميائية. ^{[ 1 ] [ 2 ]} باختصار، يعمل الجسر الملحي كوصلة موصلة أيونيًا تربط نصفي خليتي الأنود والكاثود داخل الخلية الكهروكيميائية. ^{[ 3 ]} كما أنه يُقلل ويُثبّت جهد الوصلة السائلة بين المحلولين في نصفي الخليتين. ^{[ 4 ]} بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدامه لتقليل التلوث المتبادل بين نصفي الخليتين. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

كما هو موضح في الشكل على اليمين، يتكون الجسر الملحي عادةً من أنابيب مملوءة بمحلول إلكتروليتي. غالبًا ما تحتوي هذه الأنابيب على أغشية - مثل أقراص زجاجية مسامية - في نهاياتها للمساعدة في احتواء المحلول داخل الأنابيب ومنع اختلاطه المفرط مع البيئة المحيطة. ^{[ 3 ]} عند إنشاء جسر ملحي بين مذيبات مختلفة لنصفي الخلية، من الضروري التأكد من أن الإلكتروليت المستخدم في الجسر قابل للذوبان في كلا المحلولين ولا يتفاعل مع أي مواد موجودة في أي منهما. ^{[ 3 ]}

يقلل الجسر الملحي المملوء بمحلول ملح واحد من جهد الوصلة السائلة بكفاءة عالية عند استيفاء الشروط التالية:

1. تكون معاملات انتشار الأنيون والكاتيون في الملح متساوية تقريبًا عند التركيز المحدد. تُستخدم أيونات البوتاسيوم (K⁺ ⁾ ، _{والأمونيوم} (NH₄⁺ ⁾ ، والربيديوم (Rb⁺ ⁾ ، والكلوريد (Cl⁻ ^)، والنترات ₍ NO₃⁻ ⁾ في أغلب الأحيان كأنيونات وكاتيونات في أملاح الجسور الأيونية مع مذيبات مختلفة. ^{[ 6 ]}
2. يكون تركيز الملح في الجسر الأيوني أعلى بكثير من تركيزه في المحاليل العاملة التي يربطها. وهذا يقلل من تأثيرات تركيبات الكاثوليت والأنوليت على فرق الجهد المقاس .

تقليديًا، يُستخدم محلول كلوريد البوتاسيوم المائي المركز (KCl) غالبًا لتقليل جهد الوصلة السائلة. ^{[ 1 ]} عند مقارنة محاليل ملحية أخرى، مثل بروميد البوتاسيوم ويوديد البوتاسيوم، بكلوريد البوتاسيوم، يُعد كلوريد البوتاسيوم الأكثر فعالية في إلغاء جهد الوصلة. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، تقل فعالية هذا الجسر الملحي مع ازدياد القوة الأيونية للمحاليل المستخدمة (الكاثوليت والأنيوليت). ^{[ 1 ]}

توجد عدة تصاميم للجسور الملحية: جسور الأنابيب الزجاجية (جسر الملح التقليدي من نوع KCl وجسر الملح السائل الأيوني، كما هو موضح في الشكل)، وجسور ورق الترشيح، وجسور الملح المسامية، والسيليكا المدخنة، وجسور الملح المصنوعة من هلام الأغار.

جسور الملح السائل الأيوني

نظراً للعيوب العديدة لجسور الملح من نوع كلوريد البوتاسيوم، تم استخدام جسور الملح السائلة الأيونية (ILSB) لمعالجة مشاكل قياس الجهد الكهربائي الناجمة عن جسور الملح من نوع كلوريد البوتاسيوم في الخلايا الكهروكيميائية. ^{[ 1 ] [ 4 ]} تُظهر جسور الملح السائلة الأيونية أداءً فعالاً في المحاليل المائية للإلكتروليتات المحبة للماء . ويعود ذلك إلى أن السوائل الأيونية لا تمتزج بالماء (فهي غير قابلة للامتزاج)، مما يجعلها مناسبة كجسور ملح للمحاليل المائية. ^{[ 1 ]} إضافةً إلى ذلك، فهي خاملة كيميائياً ومستقرة للغاية في الماء. ^{[ 1 ]}

لإنشاء جسر ملحي أنبوبي زجاجي، يُصنع أنبوب فيكور على شكل حرف U ليحتوي على محلول إلكتروليتي مناسب. ^{[ 3 ]} عادةً، تُغطى نهايات الأنبوب بفتات زجاجي، وهي مادة مسامية، أو يُجلّد المحلول الإلكتروليتي غالبًا باستخدام الأغار لمنع اختلاط السوائل الذي قد يحدث لولا ذلك. ^{[ 3 ]}

تعتمد موصلية جسر الأنبوب الزجاجي بشكل أساسي على تركيز محلول الإلكتروليت. عند التركيزات الأقل من التشبع، يؤدي ارتفاع التركيز إلى تحسين الموصلية. ومع ذلك، فإن زيادة كمية الملح عن التشبع في أنبوب ذي قطر ضيق قد يؤدي إلى انخفاض الموصلية . ^{[ 4 ]}

يمكن استخدام الورق المسامي، مثل ورق الترشيح، كجسر ملحي إذا تم نقعه في محلول إلكتروليتي مناسب، مثل المحاليل الإلكتروليتية المستخدمة في جسور الأنابيب الزجاجية. ولا حاجة إلى عامل تبلور لأن ورق الترشيح يوفر وسطًا صلبًا للتوصيل. ^{[ 8 ]}

تعتمد موصلية هذا النوع من الجسور الملحية على عدة عوامل: تركيز المحلول الإلكتروليتي، وملمس الورق، وقدرته على الامتصاص. عموماً، يرتبط الملمس الأكثر نعومة والقدرة العالية على الامتصاص بموصلية أعلى. ^{[ 8 ]}

لإنشاء هذا النوع من الجسور الملحية، يمكن استخدام ورق ترشيح مخبري ولفه لتشكيل شكل يربط بين نصفي الخلية، وعادةً ما يُلف على شكل أسطواني. ^{[ 8 ]} ثم يُنقع ورق الترشيح الملفوف في محلول ملحي خامل مناسب. ^{[ 8 ]} ويمكن استخدام ماصة لتشكيل ورق الترشيح الملفوف على شكل أنبوب على شكل حرف U، مما يوفر قوة ميكانيكية لورق الترشيح المنقوع. ^{[ 8 ] [ 9 ]} ويمكن الآن استخدام ورق الترشيح هذا كجسر ملحي يربط بين نصفي الخلية. ^{[ 8 ]}

على الرغم من أن جسور الملح المصنوعة من ورق الترشيح رخيصة الثمن ومتوفرة بسهولة، إلا أن أحد عيوب عدم استخدام القشة لتوفير الدعم الميكانيكي هو ضرورة استخدام ورق ترشيح جديد ملفوف ومبلل لكل تجربة. ^{[ 8 ]} إضافةً إلى ذلك، فإن ورق الترشيح له عمر افتراضي محدود ويشكل خطراً كبيراً للتلوث. ^{[ 3 ]}

ومن التطورات الحديثة جسر الملح المصنوع من الفحم . ويُعتبر خياراً ممتازاً للوصلة المسامية لقطب المرجع في المحلول القلوي. ^{[ 10 ]}

يعمل الموصل المسامي كجسر ملحي بين نصفي خليتي محلول المرجع ومحلول الإلكتروليت. ^{[ 10 ]} تتميز المواد الأخرى المستخدمة في الموصلات المسامية، مثل الزجاج والتفلون وهلام الأغار، بمزاياها الخاصة، ولكنها تنطوي أيضًا على بعض العيوب الهامة، مثل ارتفاع التكلفة وزيادة خطر التلوث. ^{[ 10 ] [ 3 ]}

لذا، تشمل مزايا استخدام الفحم النباتي كمرشحات انخفاض تكلفته وسهولة الحصول عليه، إذ يمكن استخراجه من مواد كربونية مسامية. ^{[ 10 ]} وعلى الرغم من هشاشته، يُسهّل الفحم النباتي نقل الأيونات بكفاءة عالية بفضل بنيته المسامية. ^{[ 10 ]}

• جهد الوصلة السائلة
• رقم نقل الأيون