ما هو التحليل الكهروكيميائي؟
التحليل الكهروكيميائي عبارة عن مجموعة من التقنيات التي تستخدم التحفيز الكهربائي لتحليل التفاعل الكيميائي لسطح عينة أو محلول. يتم التحكم في معدلات تفاعل الأكسدة والاختزال وقياسها بواسطة جهاز موحد متصل بأقطاب كهربائية مغمورة في إلكتروليت.
يستخدم التحليل الكهروكيميائي على سبيل المثال دراسة التآكل، أي تدهور مادة بسبب التفاعل مع بيئتها. يمكن أن تتنوع ظروف الاختبار (أي درجة الحرارة وتركيب الإلكتروليت واستبعاد الأكسجين) لاكتساب نظرة ثاقبة لآلية التآكل في بيئات محددة. يعد التحليل الكهروكيميائي مفيدًا لاختيار المواد أثناء مرحلة التصميم أو التنبؤ بآليات الفشل والعمر أثناء التشغيل.
تستخدم طرق التحليل الكهروكيميائي مجسات موصلة للكهرباء، تسمى الأقطاب الكهربائية، وذلك بهدف إجراء اتصال كهربائي مع محلول التحليل، كما تُستخدم الأقطاب جنبًا إلى جنب مع الأجهزة الكهربائية أو الإلكترونية التي يتم توصيلها بها لقياس المعلمة الكهربائية للمحلول، حيث ترتبط المعلمة المقاسة بهوية التحليل أو بكمية المادة التحليلية في المحلول.
في دراسات التآكل الكهروكيميائية، يكون القطب العامل (WE) هو المادة قيد البحث، والتي تتأكسد بطريقة محكومة، كما تحدث التفاعلات التكميلية للحفاظ على توازن الشحن في قطب كهربائي -عادة خامل- عداد (CE) (مثل البلاتين). يستخدم القطب المرجعي (RE) للتحكم في الإمكانات القريبة من سطح WE. كما تستخدم تقنيات مختلفة لقياس مقاومة التآكل. وفي القياسات الفعالة، تكون إمكانات WE ثابتة ويتم مراقبة التيار كدالة للوقت.
في القياسات الديناميكية المحتملة، عادةً ما يتم تكثيف الجهد ببطء ويتم قياس التيار كدالة للجهد، حيث يمكن تركيب منحنى التيار والجهد حول إمكانية التآكل (الإمكانية حيث التيار صفر) (تحليل تافيل)، ممّا يعطي معدل التآكل في حالة توازن. يمكن استخدام عمليات المسح للجهد العالي لتحديد انهيار التخميل، قياس الفولتميتر الدوري (CV) هو شكل خاص من أشكال التحليل الديناميكي الفعال، حيث يتأرجح الجهد لأعلى ولأسفل بشكل متكرر.
في التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية (EIS)، يتم تطبيق جهد التيار المتردد حول الصفر أو غير الصفر على مدى تردد كبير (sub-Hz حتى MHz)، كما يوفر (EIS) معلومات عن الظواهر التي تعتمد على الوقت مثل التوصيل الأيوني في الأفلام العازلة، والتفاعلات الكيميائية في الحالة الصلبة والاسترخاء ثنائي القطب وما إلى ذلك.
ما هي أقسام التحليل الكهروكيميائي؟
تنقسم طرق التحليل الكهروكيميائي إلى فئات وفقًا للمعلمات الكهربائية التي يتم قياسها، كما تشمل طرق التحليل الكهربائي الرئيسية قياس الجهد وقياس التيار وقياس الموصلية والقياس الكهربائي وقياس الجهد (وعلم الاستقطاب) وقياس الكولوم.
تعكس أسماء الطرق الخاصية الكهربائية المقاسة أو وحداتها، كما أنه يقيس قياس الجهد الكهربائي مع الحفاظ على تيار كهربائي ثابت (عادة ما يقرب من الصفر) بين الأقطاب الكهربائية. يراقب (Amperometry) التيار الكهربائي (الأمبيرات) مع الحفاظ على ثبات الجهد. كما يقيس قياس الموصلية التوصيل (قدرة المحلول على حمل تيار كهربائي)، بينما يتم الحفاظ على جهد تيار متناوب ثابت (AC) بين الأقطاب الكهربائية.
قياس الجاذبية الكهربائية هو أسلوب لقياس الجاذبية يشبه طرق قياس الجاذبية الكلاسيكية التي تمّ وصفها أعلاه، حيث يتم ترسيب المادة الصلبة التي يتم وزنها على أحد الأقطاب الكهربائية. قياس الجهد هو تقنية تتنوع فيها الإمكانات بطريقة منتظمة أثناء مراقبة التيار. (Polarography) هو نوع فرعي من الفولتميتر الذي يستخدم قطبًا معدنيًا سائلًا. قياس الكولوم هو طريقة تراقب كمية الكهرباء (كولوم) التي يتم استهلاكها أثناء تفاعل كهروكيميائي يتضمن المادة التحليلية.
إلى جانب ذلك فإن معظم طرق التحليل الكهروكيميائي تعتمد وبشكل رئيسي على تدفق الإلكترونات بين واحد أو أكثر من الأقطاب الكهربائية والتحليل، كما يجب أن يكون التحليل قادرًا على قبول إلكترون واحد أو أكثر (يُعرف بالاختزال) من القطب أو التبرع بواحد أو أكثر من الإلكترونات (الأكسدة) للإلكترود. كمثال: يمكن تقييم الحديد الحديدي (Fe3 +) لأنّه يمكن أن يخضع للاختزال إلى الحديدوز (Fe2 +) عن طريق قبول إلكترون من القطب.
استخدامات التعامل في التحليل الكهروكيميائي:
- مقاومة التآكل للمواد في بيئات محددة.
- جودة الطلاءات المقاومة للتآكل أو التخميل.
- كفاءة مثبطات التآكل في دوائر مياه التبريد.
نقاط القوة في التحليل الكهروكيميائي سريعة، مقارنة باختبار الموثوقية، حيث تكون هناك معلومات كمية وقابلة للتكرار حول معدل التآكل وتحليل آلية التآكل، كما أنه وغالبًا ما يتطلب التفسير الكامل للبيانات معلومات إضافية (على سبيل المثال: من تحليل السطح أو الفحص المجهري) حجم العينة والهندسة محدودان؛ غالبًا ما يكون اختبار المنتج الكامل غير ممكن.
