ما هي الكيمياء الكهروتحليلية وتقنياتها المختلفة؟

اعتدنا قديمًا استخدام طرق التحليل التقليدية لقياس تركيز محلول ما. حيث كان بإمكاننا معرفة تركيز محلول ما باستخدام الطرق العيارية الحجمية  Volumetric titration عن طريق استخدام كاشف لوني مناسب حسب وسط المحلول: حمضي، قاعدي، محايد. وبالرغم من أن هذه الطريقة شائعة حتى هذه اللحظة لما بها من مميزات مثل سهولة استخدام وفهم مبادئها كما أنها غير مكلفة إلا أنها تفتقر الدقة والسرعة ولا يمكن استخدامها في التركيزات المنخفضة.  كما أنها غير انتقائية مما يؤدي إلى نتائج غير دقيقة لدراسة مركب بعينه. لذلك أصبحنا بحاجة لطرق تحليل دقيقة سريعة يمكن التحكم بكل معاملاتها حسب احتياجاتنا ودراستنا. ومن هنا ومع تطور مفاهيم وأساسيات الكيمياء الكهربائية، أنشق فرع جديد في الكيمياء يُسمى الكيمياء الكهروتحليلية Electroanalytical chemistry [1].

ما هي الكيمياء الكهروتحليلية واستخداماتها؟

الكيمياء التحليلية الكهربائية هي حقل فرعي من الكيمياء الكهربائية تركز على تطوير تقنيات طرق جديدة باستخدام أقطاب كهربائية لفحص الخواص التحليلية الكمية والكيفية لمادة أو محلول مجهول. مؤخرًا، توسع فرع الكيمياء الكهروتحليلية ليصبح أساس دراسة مجالات عديدة مثل:

1. التحفيز الكهربائي في خلايا الوقود- Fuel cell وتحليل الماء كهربائيًا- Electrochemical Water Splitting (EWS).
2. دراسة سلوك المواد المُستخدمة كأقطاب كهربائية في البطاريات والمكثفات الفائقة.
3. فحص التآكل والطلاء للمواد والأوساط المختلفة.
4. دراسة خصائص المواد النانوية حسب طريقة تحضيرها وتوظيف خصائصها للاستخدام الأمثل لها.
5. تم تطوير طرق تحليلية وأقطاب معدلة كيميائيًا وبيولوجيًا مُخصصة للتطبيق داخل الجسم الحي لدراسة الجزيئات غير النشطة في الأكسدة والاختزال.

ما هي الخلية المُستخدمة في القياسات الكهروتحليلية؟

تُعد الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب من أهم الأدوات لقياس النشاط الكهربائي والكيميائي لمادة ما في نصف خلية. حيث يمكن التحكم في تطبيق جهد أو تيار كهربائي مناسب لطبيعة المادة لدراسة خواصها المختلفة. ومن ثم يتم توظيفها في التطبيقات المختلفة المرتبطة بالطاقة وإنتاج الهيدروجين الأخضر أو أقطاب أجهزة تخزين الطاقة: بطاريات ومكثفات فائقة التوصيل، وكذلك دراسة تآكل المواد في الأوساط المختلفة [1].

تتكون الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب من ثلاثة أقطاب: القطب المرجعي، القطب المساعد، والقطب العامل يتم غمرهم جميعًا في محلول إلكتروليتي بتركيز عالٍ. ويتم التحكم بالخلية عن طريق Potentiostate لقياس الجهد الكهربائي بين القطب العامل والقطب المرجعي وكذلك التيار المار بين القطب العامل والقطب المساعد.

هناك عدة طرق لحركة الأيونات للوصول لسطح القطب:

1. الانتشار– Diffusion: النقل بسبب اختلاف التركيز حول القطب والمحلول (الأكثر شيوعًا)
2. التحريك – Convention: انتقال الأيونات بسبب التحريك سواء باستخدام الدوران الحراري أو الفيزيائي Physical or thermal convection. ويتم استخدم الظروف الثابتة (بدون تحريك) عند دراسة التيار الكهربائي الناتج عن الانتشار فقط.
3. الهجرة –Migration: انتقال الأيونات بسبب تدرج الجهد الكهربائي. و يتم تقليله باستخدام محلول كهربائي الكتروليتي- Supporting electrolyte.

ما دورالمحلول الإلكتروليتي المساعد-  Supporting electrolyte في مثل هذه التقنيات؟

 يتمركز دور المحلول الإلكتروليتي المساعد- Supporting electrolyte في توصيل التيار الكهربائي حيث أنه محلول موّصل للتيار الكهربائي لكنه خامل كهروكيميائيًا. فهو يسمح بحركة الأيونات من وإلى سطح القطب|الإلكتروليت دون أن يتفاعل مع الأقطاب. وكذلك يُستخدم في تقليل التيار الكهربائي الناتج عن انتقال الأيونات بطريقة الهجرة – Migration لدراسة التيار الناتج عن الانتشار خاصة في طرق التحليل الفولتمتري [2].

ما هي الطرق المختلفة في الكيمياء الكهروتحليلية؟

يمكن تقسيم الطرق التحليلية المختلفة حسب الخاصية الفيزيائية المُقاسة [2]:

1. قياس شدة التيار الكهربي Current:

عند تطبيق جهد كهربائي ثابت أو متغير على محلول إلكتروليتي أو قطب كهربائي، ينتج تيار كهربائي نتيجة تفاعل الأكسدة والاختزال في الخلية الكهروكيميائية.

تعتبرالطرق الفولتامتريةVoltammetry  والأمبيرومترية Amperometry من الطرق القائمة على قياس شدة التيار الكهربائي.

2. قياس جهد القطب الكهربائي Potential:

يتم قياس فرق الجهد بين قطب العمل والقطب المرجعي في الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب دون مرور أي تيار كهربائي وتُعرف بالطرق الجهديةpotentiometry .

3. قياس الشحنة الكهربية Charge:

تعتمد تقنية التحليل الكولومترية – Coulometry على قياس الشحنة الكهربائية. هي طريقة تحليلية لقياس تركيز غير معروف من المادة محل الدراسة في المحلول عن طريق تحويل كل جزيئات المادة من حالة أكسدة إلى أخرى. قياس الشحنة الكهربائية لا يتطلب معايير كيميائية أو معايرة. لذلك، فهي تُستخدم لمعرفة تركيزات المواد المختلفة بدقة عالية. كما يمكنها القياس لتركيز منخفض جدًا مقارنة بالطرق التقليدية أو الحديثة.

يمكن قياس العديد من الخواص الكيميائية والفيزيائية لمادة أو محلول باستخدام الطرق الكهروتحليلة الحديثة مثل التوصيلية – Conductimetry ، مقاومة المادة \ المحلول لمرور التيار عن طريق تطبيق تيار كهربائي متردد- Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). ويمكن توظيف عدة تقنيات مختلفة للتعمق في دراسة وتحليل سلوك المواد المختلفة للمتغيرات والوسط المحيط.

المصادر

1. JACS | Advances in Electroanalytical Chemistry
2. Britannica | Electroanalysis