אלקטרוכימיה

אלקטרוכימיה היא ענף בכימיה אשר עוסק בתגובות הכימיות אשר בהן מתרחש מעבר אלקטרון בין מוליך חשמלי (האלקטרודה) לבין מוליך יוני (אלקטרוליט), דהיינו מדובר בתגובות אשר בהן ישנו מעבר אלקטרון דרך השטח שבין האלקטרודה והמוליך היוני. אם תגובה כימית נעשית באמצעות הפעלת פוטנציאל חיצוני, או אם נוצר מתח באמצעות תגובה כימית, כפי שקורה בסוללה, הרי שזוהי תגובה אלקטרוכימית. שימוש באלקטרוכימיה בחיי היום יום הוא בעיקר ציפויים לתכשיטים, מכוניות ועוד. שימוש נוסף הוא הפקת אנרגיה חשמלית מצירוף מבוקר של תגובות חמצון חיזור בסוללות, מצברים ועוד. ההבדל בין השימושים הוא כתוצאה משינויים בתגובות המתרחשות בתאים האלקטרוכימיים. תהליכים אלקטרוכימיים נפוצים בתעשייה הם: ליטוש, הגנה מקורוזיה, ציפויים, יצירת שכבות דקות ועוד. שימוש נוסף באלקטרוכימיה הוא ככלי אנליטי לניטור סביבתי של מזהמים בין אם זה בסביבה מימית או באוויר. בנוסף לניטור המזהמים, לדוגמה מתכות כבדות, נעשה שימוש נרחב באלקטרוכימיה כדי לנקות את המדיום מהמזהמים בעזרת אלקטרוכימיה ואוסמוזה הפוכה. ערך מורחב – תא אלקטרוכימי התא הגלווני נקרא על שם לואיג'י גלווני אשר טען שחשמל הוא תוצר של יצורים חיים, שכן על ידי העברת מתח דרך רגלי צפרדע גרם לתזוזתן. תא גלווני הוא תא אלקטרוכימי ספונטני שבו פועלות תגובות חמצון חיזור ספונטניות, כלומר, כאשר סוגרים את המעגל החשמלי, מתרחש שינוי במתח באופן ספונטני. סיבה לכך היא שכא"מ התא הוא חיובי. מבנהו של התא הוא שני חצאי תאים, קתודה - האלקטרודה בה מתרחש תהליך החיזור, ואנודה - האלקטרודה בה מתרחש תהליך החמצון. בין שני חצאי התא יש גשר מלח או מחיצת זכוכית וגם נגד משתנה או מכשיר אחר להעברת אלקטרונים מהאנודה וקתודה. כאמור, שימושו של התא הגלווני הוא הפקת אנרגיה חשמלית ממעבר האלקטרונים מהאנודה לקתודה. תא אלקטרוליטי הוא תא אלקטרוכימי לא ספונטני אשר מתרחשות בו תגובות אלקטרוכימיות לא ספונטניות, כלומר, הכא"מ של התא הוא שלילי. מכיוון שהתגובות המתרחשות בתא אלקטרוליטי אינן ספונטניות, צריך להשקיע אנרגיה כדי שיפעלו. השימושים לתאים אלקטרוליטיים הם ציפוי תכשיטים בזהב, אלקטרוליזה (פירוק חומרים בעזרת זרם חשמלי) ועוד. פוטנציוסטט - מכשיר חשמלי המשמש למדידות אלקטרוכימיות ושליטה בפרמטרים החשמליים בניסוי, כגון: זרם, מתח, התנגדות חשמלית. המכשיר מחובר למחשב ומשתמש בטכנולוגיה של מגברי שרת כדי לאפשר את השליטה בפרמטרים. טווח הפעולה והיעילות של הפוטנציוסטטים משתנה. פוטנציוסטטים אופייניים מסוגלים למדוד זרמים של מסדר גודל של פיקואמפר, והתנגדויות מסדר גודל של אוהמים בודדים. תא שלש אלקטרודות - מורכב מאלקטרודה עובדת, אלקטרודת ייחוס ואלקטרודה עוזרת. הפרש המתחים בתא נופל בין האלקטרודה העובדת לאלקטרודת הייחוס, ואילו הזרם החשמלי זורם בין האלקטרודה העובדת לאלקטרודה העוזרת. כדי לאפשר מעבר זרמים חשמליים ואיזון מטענים בתא נהוג למלא את החלל שבין האלקטרודות בתמיסה אלקטרוליטית - נוזל המומס בו מלח. אלקטרודה עובדת (WE - Working Electrode) - בדרך כלל החומר הנחקר בתא. במחקרים בהם החומר הנחקר הוא התמיסה בתא נהוג להשתמש באלקטרודה עובדת שעשויה ממתכת אצילה (כי היא צריכה להוליך היטב ולא להגיב עם התמיסה) כגון זהב או פלטינה. אלקטרודה עוזרת (CE - Counter Electrode) - משמשת להעברת זרם חשמלי. נהוג להשתמש עבורה במתכת אצילה, ועל פי רוב משתמשים במוט פלטינה. אלקטרודת ייחוס (RE - Reference Electrode) - משמשת למדידת ייחוס של הפרש מתחים, ולכן עליה להיות בעלת מתח ייצוב וקלה לקיטוב. ישנם סוגים רבים של אלקרוטודות ייחוס, אך הנפוצה בהן היא אלקטרודת כסף/כסף כלורי, בגלל עלותה הנמוכה וקלות השימוש בה. וולטמטריה ציקלית (מחזורית) - שיטה בה מפעילים מתח הולך וגובר על הנמדד (הדוגמה), עד הגעה לערך מקסימלי, ואז מפעילים מתח הולך ופוחת על הנמדד עד הגעה לערך מינימלי, ושוב מתח הולך וגובר וחוזר חלילה כאשר כל העת נמדד הזרם הזורם בתא. לעיתים נדירות מתחילים את התהליך מהערך המקסימלי או מערך ביניים כלשהו. נהוג להציג את התוצאות כגרף של הזרם כנגד המתח. במערכות בהם קיים צורון העובר חימצון וצורון העובר חיזור מתקבל גרף שצורתו מזכירה מעט ציפור, כלומר הגרף הוא צורה סגורה בעלת שיא (המכונה "פיק חמצון") ושפל (המכונה "פיק חיזור"). מגרף זה ניתן לחלץ מידע רב כגון פוטנציאלי חימצון וחיזור, קיבול של הנמדד והפיכות ואי הפיכות של התהליכים. סריקה קווית (Linear sweep voltammetry) - שיטה בה מפעילים על הדגימה מתח הולך וגובר עד הגעה לערך מקסימלי כשכל העת הזרם הזורם בדגימה נמדד. נהוג להציג את התוצאות על גבי גרף של מתח כנגד הזרם. שיטה זו טובה במיוחד במקרים בהם בדיקות אלקטרוכימיות הן אנליזות הורסות, ואז לא ניתן למדוד יותר ממדידה אחת לכל דגימה. בעיקר שיטה זו טובה למדידות קורוזיה שכן בדרך כלל מדובר באנליזה הורסת. מגרף זה ניתן לחלץ מידע רב כגון: פוטנציאל חימצון, מקדם הא-סימטריה, קבוע מעבר אלקטרון וקצב הקורוזיה הספונטנית. מדידות עכבה חשמלית (Electrochemical Impedance Spectroscopy) - שיטה בה מפעילים מתח חילופין על הדגימה כאשר במהלך המדידה תדירות המתח משתנה ונמדדת העכבה החשמלית, את התוצאות מקובל להציג בשתי דרכים: דיאגרמת ניקוויסט בה מוצגת הכפלת הרכיב המדומה של העכבה במינוס אחד כנגד הרכיב הממשי; ועקומת בודה בה מוצגת הפאזה כנגד התדירות. חילוץ מידע מגרפים אלו מורכב והוא כולל המשגת מעגל חשמלי המגיב למתח חליפין באופן דומה, וייחוס משמעות כימית לכל רכיב. מגרפים אלו ניתן לחלץ מידע כמו: התנגדות התמיסה, התנגדות האלקטרודות, קיבול האלקטרודות, אחידות המנשק בין האלקטרודות לתמיסה, וספיחה ורלקסציה של יונים על פני השטח. אלקטרוכימיה קוונטית, תאוריה קוונטית לתהליכים אלקטרוכימיים, שפותחה על ידי רוואז דור'ונדזה. דורון אאורבך, חוקר ישראלי בולט בתחום. חשמל וכימיה, באתר מוזיאון המדע בירושלים אלקטרוכימיה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) אלקטרוכימיה, דף שער בספרייה הלאומית ראו http://www.metrohm-autolab.com/export/Homepages/Autolab/download/Applicationnotes/Autolab_Application_Note_EC08.pdf ראו גם: http://www.metrohm-autolab.com/export/Homepages/Autolab/download/Applicationnotes/Autolab_Application_Note_EIS01.pdf