كفاءة فاراداي

في الكيمياء الكهربائية ، كفاءة فاراداي (وتسمى أيضًا محصول فاراداي ، أو كفاءة التيار ) تصف الكفاءة التي يتم بها نقل الشحنة ( الإلكترونات ) في نظام عملي يسهل التفاعل الكهروكيميائي . كلمة "فاراداي" هنا في هذا المصطلح لها جانبان مترابطان: أولاً، الوحدة التاريخية للشحنة وهي فاراداي (F)، ولكن تم استبدالها منذ ذلك الحين بالكولوم (C)؛ وثانيًا، يرتبط ثابت فاراداي ( $F$ ) بالشحنة بالنسبة إلى كمية المادة بـــالـ مول والإلكترونات ( كمية المادة ). تم فهم هذه الظاهرة في الأصل من خلال عمل مايكل فاراداي وتم التعبير عنها في قوانين التحليل الكهربائي . ^[1]

مصادر الخسارة في الفارادي

تتعرض كل من الخلايا التحليلية والخلايا الجلفانية لخسائر فاراداي عندما تشارك الإلكترونات أو الأيونات في تفاعلات جانبية غير مرغوب فيها. تظهر هذه الخسائر كمنتجات ثانوية من الحرارة و/أو كيميائية.

يمكن اعتبار مثال في أكسدة الماء إلى الأكسجين عند القطب الموجب في التحليل الكهربائي. يتم تحويل بعض الإلكترونات لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين . ^[2] تمثل نسبة الإلكترونات المحولة خسارة فارادية وتختلف باختلاف الأجهزة.

حتى عندما يتم إنتاج منتجات التحليل الكهربائي المناسبة، لا يزال من الممكن حدوث خسائر إذا سٌمح للمنتجات بإعادة الاتحاد. أثناء التحليل الكهربائي للماء ، يمكن أن تتحد النواتج المرغوبة فصلها ( _H2 و_O2 ) لتكوين الماء . يمكن أن يحدث هذا بشكل عملي في وجود مواد محفزة مثل البلاتين أو البلاديوم التي تستخدم عادة كأقطاب كهربائية. تم تحديد الفشل في حساب تأثير كفاءة فاراداي على أنه سبب الخطأ في التعرف على النتائج الإيجابية في تجارب الاندماج البارد . ^[3] ^[4]

تقدم خلايا الوقود بغشاء التبادل البروتوني مثالاً آخر على الفقد الفاراداي عندما تتسرب بعض الإلكترونات المنفصلة عن الهيدروجين عند الأنود عبر الغشاء وتصل إلى الكاثود مباشرة بدلاً من المرور عبر الحمل وأداء عمل مفيد. من الناحية المثالية، سيكون غشاء التحليل بالكهرباء عازلًا مثاليًا ويمنع حدوث ذلك. ^[5]

من الأمثلة المألوفة بشكل خاص على فقد في الفاراداي هو التفريغ الذاتي الذي يحد من العمر الافتراضي للبطارية.

طرق قياس الخسارة الفارادية

عادةً ما يتم قياس الكفاءة الفارادية لتصميم الخلية من خلال التحليل الكهربائي حيث يتم تحويل كمية معروفة من المادة المتفاعلة بطريقة متكافئة إلى منتج ، حيث يتم قياسها بواسطة التيار المار. ثم تتم مقارنة هذه النتيجة بكمية المنتج المرصودة والتي تم قياسها من خلال طريقة تحليلية أخرى.

خسارة الفاراداية مقابل الجهد وكفاءة الطاقة

تعد الخسارة الفاراداية مجرد شكل واحد من أشكال فقدان الطاقة في نظام كهروكيميائي. خسارة أخرى تحدث و هي خسارة في الجهد الزائد ، وهو الفرق بين الفولتية النظرية والفعلية للإلكترود اللازمة لدفع التفاعل بالمعدل المطلوب. حتى البطارية القابلة لإعادة الشحن ذات كفاءة فاراداي بنسبة 100% تتطلب الشحن بجهد أعلى مما تنتجه أثناء التفريغ، لذا فإن كفاءة الطاقة الإجمالية هي نتاج كفاءة الجهد وكفاءة الفارادي (أي كفاءة التيار). تعكس كفاءات الجهد التي تقل عن 100% اللارجعة الديناميكية الحرارية لكل تفاعل كيميائي في العالم الواقعي .

مبدأ التحليل الكهربائي

المقال الرئيسي: التحليل الكهربائي.

رسم تخطيطي للتحليل الكهربائي للماء H2O لإنتاج الهيدروجين والأكسجين.

التحليل الكهربائي للماء H2O وإنتاج الهيدروجين والأكسجين. يتيح التحليل الكهربائي تحلل جزيء الهيدروجين إلى أيونين H+ وإلكترونين e− عند ملامستها للأنود (اقطب الموجب) . سوف تتدفق الإلكترونات من القطب الموجب إلى الكاثود (القطب السالب) مما يخلق تيارًا كهربائيًا. يسمح الأنود بالأكسدة (فقدان الإلكترونات)، + المحطة؛ يسمح الكاثود بالاختزال (اكتساب الإلكترونات)، الطرفية -. ثم تمر أيونات الهيدروجين H+ عبر الإلكتروليت (مادة تمنع مرور الإلكترونات) وتعيد ربط اثنين اثنين مع إلكترونين وذرة أكسجين قادمة من الهواء. يحدث هذا التفاعل عند الكاثود.

التفاعل عند الأنود (الأكسدة):

H2 → 2H+ + 2e

التفاعل عند الكاثود (الاختزال):

4H+ + O2 + 4e− → 2H2O

التفاعل موجود أيضًا لتكسير الماء (أي تحليل الماء):

التفاعل عند الأنود :

جزيئين اثنين ماء (H2O)2

→ تعطي

O2g + 4H+aq + 4e−

التفاعل عند الكاثود :

أربعة جزيئات ماء (H2O)4 تتفاعل مع 4e

→ فتعطي

(H2)2 غاز هيدروجين

+

4 أيونات (OH−) في المحلول.

(ملحوظة: لم يمكن ترجمة معادلات التفاعل من الفرنسية إلى العربية بالصورة الصحيحة؛ فيمكن للقارئي الرجوع إلى الأصل الفرنسي.)

مصادر الخسارة الفارادية

تتعرض كل من الخلايا التحليلية والخلايا الجلفانية لخسائر فاراداية (خسائر في كمية التيار) عندما تشارك الإلكترونات أو الأيونات في تفاعلات جانبية غير مرغوب فيها. تظهر هذه الخسائر كمنتجات ثانوية حرارية و/أو كيميائية.

يمكن مشاهدة مثال في أكسدة الماء إلى الأكسجين عند القطب الموجب في التحليل الكهربائي. يتم تحويل بعض الإلكترونات لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين.[2] تمثل نسبة الإلكترونات المحولة خسارة فارادية وتختلف باختلاف الأجهزة.

حتى عندما يتم إنتاج منتجات التحليل الكهربائي المناسبة، لا يزال من الممكن حدوث خسائر إذا سٌمح للمنتجات بإعادة الاتحاد. أثناء التحليل الكهربائي للماء، يمكن أن تتحد المنتجات المطلوبة (H2 وO2) لتكوين الماء. يمكن أن يحدث هذا بشكل واقعي في وجود مواد محفزة مثل البلاتين أو البلاديوم التي تـٌستخدم عادة كأقطاب كهربائية. تم تحديد الفشل في حساب تأثير كفاءة فاراداي على أنه سبب الخطأ في التعرف على النتائج الإيجابية في تجارب الاندماج البارد.^[6]^[7]

تقدم خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني مثالا آخرا على الفقد الفارادي عندما تتسرب بعض الإلكترونات المنفصلة عن الهيدروجين عند الأنود عبر الغشاء وتصل إلى الكاثود مباشرة بدلاً من المرور عبر الحمل وأداء شغل مفيد. من الناحية المثالية، سيكون غشاء الإلكتروليت عازلًا مثاليًا ويمنع حدوث ذلك.^[8]

من الأمثلة المألوفة بشكل خاص على حدوث فقدان في الفاراداي هو التفريغ الذاتي الذي يحد من العمر الافتراضي للبطارية.

طرق قياس خسارة في الفارادية

عادة ما يتم قياس الكفاءة الفارادية لتصميم الخلية من خلال التحليل الكهربائي بالجملة حيث يتم تحويل كمية معروفة من المواد الداخلة في التفاعل (أن تكون متكافئة) ومقارنتها بكمية المادة أو المواد الناتجة؛ كما تم قياسها بواسطة فياس كمية التيار المار. ثم تتم مقارنة هذه النتيجة بكمية المنتج المرصودة والتي تم قياسها من خلال طريقة تحليلية أخرى.

المراجع

^ Bard، A. J.؛ Faulkner، L. R. (2000). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (ط. 2nd). New York: John Wiley & Sons. ISBN:0-471-04372-9.
^ Mavrikis، Sotirios؛ Perry، Samuel C.؛ Leung، Pui Ki؛ Wang، Ling؛ Ponce de León، Carlos (11 يناير 2021). "Recent Advances in Electrochemical Water Oxidation to Produce Hydrogen Peroxide: A Mechanistic Perspective". ACS Sustainable Chemistry & Engineering. ج. 9 ع. 1: 76–91. DOI:10.1021/acssuschemeng.0c07263. S2CID:234271584. مؤرشف من الأصل في 2024-04-11.
^ Jones، J. E.؛ وآخرون (1995). "Faradaic efficiencies less than 100% during electrolysis of water can account for reports of excess heat in 'cold fusion' cells". J. Phys. Chem. ^{[لغات أخرى]}‏. ج. 99 ع. 18: 6973–6979. DOI:10.1021/j100018a033.{{استشهاد بدورية محكمة}}: صيانة الاستشهاد: علامات ترقيم زائدة (link)
^ Shkedi، Z.؛ وآخرون (1995). "Calorimetry, Excess Heat, and Faraday Efficiency in Ni-H₂O Electrolytic Cells". Fusion Technology. ج. 28 ع. 4: 1720–1731. DOI:10.13182/FST95-A30436.
^ "Archived copy" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2008-09-21. اطلع عليه بتاريخ 2008-10-08.{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: الأرشيف كعنوان (link)
^ Jones، J. E.؛ وآخرون (1995). "Faradaic efficiencies less than 100% during electrolysis of water can account for reports of excess heat in 'cold fusion' cells". J. Phys. Chem. ^{[لغات أخرى]}‏. ج. 99 ع. 18: 6973–6979. DOI:10.1021/j100018a033.{{استشهاد بدورية محكمة}}: صيانة الاستشهاد: علامات ترقيم زائدة (link)
^ Shkedi، Z.؛ وآخرون (1995). "Calorimetry, Excess Heat, and Faraday Efficiency in Ni-H₂O Electrolytic Cells". Fusion Technology. ج. 28 ع. 4: 1720–1731. DOI:10.13182/FST95-A30436.
^ "Archived copy" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2008-09-21. اطلع عليه بتاريخ 2008-10-08.{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: الأرشيف كعنوان (link)

[1] Bard، A. J.؛ Faulkner، L. R. (2000). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (ط. 2nd). New York: John Wiley & Sons. ISBN:0-471-04372-9.

[2] Mavrikis، Sotirios؛ Perry، Samuel C.؛ Leung، Pui Ki؛ Wang، Ling؛ Ponce de León، Carlos (11 يناير 2021). "Recent Advances in Electrochemical Water Oxidation to Produce Hydrogen Peroxide: A Mechanistic Perspective". ACS Sustainable Chemistry & Engineering. ج. 9 ع. 1: 76–91. DOI:10.1021/acssuschemeng.0c07263. S2CID:234271584. مؤرشف من الأصل في 2024-04-11.

[3] Jones، J. E.؛ وآخرون (1995). "Faradaic efficiencies less than 100% during electrolysis of water can account for reports of excess heat in 'cold fusion' cells". J. Phys. Chem. ^{[لغات أخرى]}‏. ج. 99 ع. 18: 6973–6979. DOI:10.1021/j100018a033.{{استشهاد بدورية محكمة}}: صيانة الاستشهاد: علامات ترقيم زائدة (link)

[4] Shkedi، Z.؛ وآخرون (1995). "Calorimetry, Excess Heat, and Faraday Efficiency in Ni-H₂O Electrolytic Cells". Fusion Technology. ج. 28 ع. 4: 1720–1731. DOI:10.13182/FST95-A30436.

[5] "Archived copy" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2008-09-21. اطلع عليه بتاريخ 2008-10-08.{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: الأرشيف كعنوان (link)

[6] Jones، J. E.؛ وآخرون (1995). "Faradaic efficiencies less than 100% during electrolysis of water can account for reports of excess heat in 'cold fusion' cells". J. Phys. Chem. ^{[لغات أخرى]}‏. ج. 99 ع. 18: 6973–6979. DOI:10.1021/j100018a033.{{استشهاد بدورية محكمة}}: صيانة الاستشهاد: علامات ترقيم زائدة (link)

[7] Shkedi، Z.؛ وآخرون (1995). "Calorimetry, Excess Heat, and Faraday Efficiency in Ni-H₂O Electrolytic Cells". Fusion Technology. ج. 28 ع. 4: 1720–1731. DOI:10.13182/FST95-A30436.

[8] "Archived copy" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2008-09-21. اطلع عليه بتاريخ 2008-10-08.{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: الأرشيف كعنوان (link)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]