قوانین الکترولیز فاراده؛محقق:جمال عبدالله زاده

قوانین الکترولیز فاراده در الکتروشیمی مبنای درک تغییرات شیمیایی طبیعت هستند.عبور جریان الکتریکی در مرز الکترود و محلول الکترولیت بیانگر یک سلول الکترولیتی پویا و دینامیک است.کمیت جریان الکتریکی در الکتروشیمی نقش حیاتی در فونداسیون و زیربنای ریاضی قوانین فاراده دارد و یک دید و ذهنیت کلی در مورد سیستم های الکتروشیمیایی به ما می دهد.در قرن نوزدهم هنوز به شکل مدرن امروزی الکترون و ساختار اتم کشف نشده بود.مایکل فاراده الکتروشیمیدان برجسته انگلیسی از روی اثرات و پیامدهای تجربی و ملموس ناشی از الکترون یعنی بار الکتریکی و جریان الکتریکی به این قوانین بنیادین دست یافت.جالب است که پیشرفت های اخیر در حوزه شیمی نظری مدرن و شیمی کوانتوم نه تنها قوانین الکترولیز فاراده را باطل نکرده بلکه بیش از پیش به تایید چگونگی و مکانیسم واکنش های الکتروشیمیایی پرداخته اند.شیمیدان ها برای سنجش میزان بار الکتریکی عبوری در سیستم در واحد زمان از دستگاه آمپرمتر استفاده می کنند.چون آمپرمتر برعکس ولت متر به الکترون ها اجازه انتقال می دهد و به راحتی می تواند جریان عبوری از مدار را اندازه بگیرد.دو کمیت جریان الکتریکی و بار الکتریکی به وسیله زمان به هم وصل هستند.چون جریان الکتریکی به زبان ساده همان شارش الکترون در سطح مقطع رسانا در اثر اختلاف پتانسیل دو سر رسانا در یک بازه زمانی معین می باشد.بار الکتریکی هم طبق معادله Q=ne از خواص و ماهیت الکترواستاتیکی الکترون سرچشمه می گیرد و مضرب صحیحی از بار بنیادی e است.در الکتروشیمی اگر جریان الکتریکی مستقیم داشته باشیم در آن صورت برای محاسبه بارالکتریکی منتقل شده از معادله Q=it استفاده می کنیم.ولی اگر جریان الکتریکی متناوب داشته باشیم باید از انتگرال جریان الکتریکی در واحد زمان استفاده کنیم و معادله انتگرال زیبای i dt∫ را حل کنیم.قانون اول فاراده به زبان ساده می گوید وقتی واکنش های اکسیداسیون و احیا در سیستم رخ می دهد میزان تغییر جرم الکترود همیشه با میزان بار الکتریکی منتقل شده متناسب است و هرچه جریان الکتریکی بیشتری را عبور دهیم جرم الکترود بیشتر می شود.همچنین هرچه تغییر جرم الکترود بیشتر باشد سیستم پویا تر است و میزان تغییرات شیمیایی آن بیشتر است.پس خلاصه کلام قانون اول فاراده بر مبنای ارتباط مستقیم بین بار الکتریکی منتقل شده بر حسب کولن و جرم الکترود بر حسب گرم تحرک و پویایی و تغییرپذیری سیستم را به ما نشان می دهد.اما این جا چند پرسش چالش برانگیر مطرح می شود؛ اگر میزان بار الکتریکی منتقل شده برای دو سیستم الکتروشیمیایی یکسان باشد در آن صورت چه کار کنیم و برای بررسی پویایی سیستم باید از چه متغیرهای شیمی فیزیکی کمک بگیریم؟ آیا کمیت شیمیایی بنیادین دیگری در محاسبات شیمی وجود دارد و معیار دقیق تری برای سنجش تغییرات شیمیایی لازم است؟؟راه حل این چالش و معمای شیمی فیزیک این است که از کمیت کلی تر و بنیادی تر «جرم معادل» equivalent weight کمک بگیریم.جرم معادل بیانگر جرم مولی یک گونه الکتروشیمیایی به ازای انتقال یک الکترون است و از تقسیم جرم مولی بر تعداد الکترون های منتقل شده در آن گونه به دست می آید.در مواردی که بارالکتریکی منتقل شده در سیستم های گوناگون برابر باشد باید از کمیت جرم معادل برای سنجش تغییرات شیمیایی کمک بگیریم.قانون دوم فاراده می گوید هر چه جرم معادل در یک سیستم الکتروشیمیایی بیشتر باشد تغییرات شیمیایی بیشتر بوده و سیستم پویاتر است.به عقیده من در شیمی وقتی قانون جامع تر و کلی تری داشته داشته باشیم در آن صورت قوانین فرعی تر و جزئی تر در یک صورت بندی کلان ریاضی ادغام می شوند و روند مطالعات علمی ما راحت تر می شود.شیمیدان ها با محاسبات ترمودینامیک شیمیایی توانسته اند قوانین اول و دوم فاراده را به صورت ریاضی وحدت ببخشند.قانون کلی تر الکترولیز فاراده جرم تولید شده یا ذخیره شده در الکترود را به صورت تابعی از متغیرهای فاکتور استوکیومتری، جرم مولی،بارالکتریکی و تعداد الکترون های منتقل شده  بیان می کند تا برای همه شرایط و همه سیستم های الکتروشیمیایی جواب دهد.ویژگی مشترک قوانین اول و دوم فاراده وابسته بودن به ثابت فاراده می باشد.ثابت فاراده همان مقدار بار الکتریکی معادل یک مول الکترون می باشد و تقریبا برابر 96500 کولن است.نقش ثابت بنیادین فاراده در محاسبات شیمی این است که پلی بین مقدار ماده بر حسب مول و مقدار بار الکتریکی منتقل شده برحسب کولن برقرار می کند و به راحتی می توانیم مقدار مول های ماده را به مقدار بار الکتریکی عبوری تبدیل کنیم.دست یافتن به این معادله زیبا به نظرم نتیجه ذهنیت کل نگر در شیمی نظری است.

🌏دوستان عزیز می توانید ما را در کانال تلگرام ایستگاه اندیشه ورزی و فلسفه شیمی جمال به نشانی t.me/JimiChem دنبال کنید؛ رسانه ای جذاب و جالب برای عاشقان علم شیمی است به ویژه آنان که اندیشیدن مداوم به ماهیت علم شیمی را دوست دارند.🌏