18.2: القوة الدافعة الكهربائية

تتولد الكهرباء إما عن طريق إلكترونات أو أيونات تتدفق عبر محلول أو وسيط موصل. ويعرف هذا التدفق للإلكترونات أو الشحنة الكهربائية تحديدًا على أنه تيار كهربائي. عندما تتحرك الإلكترونات عبر سلك ، فإنها تولد تيارًا كهربائيًا. يمكن أن نتذكر  أنه في تفاعل الأكسدة والاختزال ، تُفقد الإلكترونات وتُكتسب. في تفاعل الأكسدة والاختزال العفوي للزنك مع النحاس، عندما ينغمس الزنك في محلول أيون النحاس ، يتم نقل الإلكترونات من مادة واحدة إلى يحدث آخر.

يتأكسد الزنك ، الذي يميل بشكل أكبر إلى فقد الإلكترونات ، إلى أيونات الزنك ، بينما يتم تقليل أيونات النحاس إلى نحاس صلب. ومع ذلك ، فإن هذا التفاعل لا يولد الكهرباء.

التيار الكهربائي وكيفية تدفق الإلكترونات

يحدث نقل الإلكترون مباشرة من عامل الاختزال إلى عامل مؤكسد في محلول. حتى إذا تم عزل مكونات نصف التفاعلات ماديًا في أوعية منفصلة ومتصلة عبر موصل خارجي مثل السلك ، فإن الميل لفقد الإلكترونات واكتسابها بواسطة المواد المتفاعلة لا يزال قائماً. ومع ذلك ، الآن ، تُجبر الإلكترونات على التدفق عبر السلك الذي يربط بين أنصاف ردود الفعل. يشكل تدفق الإلكترون عبر السلك تيارًا كهربائيًا ويمكنه تشغيل الأجهزة الإلكترونية ، مثل المصباح الكهربائي. يقاس التيار الكهربائي بالأمبير. أمبير واحد يساوي تدفق واحد  كولوم من الشحنة الكهربائية في الثانية ويساوي6.24 × 10⁻¹⁸ إلكترون في الثانية.

بما أن شحنة الإلكترون1.602 × 10⁻¹⁹ C, 1 أمبير يرتبط بتدفق 6.242 × 10¹⁸ إلكترونًا في الثانية.

القوة الدافعة للتيار الكهربائي ، والفرق المحتمل ، وقوة القوة الدافعة

يشبه تدفق التيار الكهربائي تدفق المياه إلى أسفل الشلال. الماء مدفوع بالاختلاف في طاقة الجاذبية الكامنة ، في حين أن تدفق الإلكترونات مدفوع بفرق طاقة الوضع الكهربائي بين المواد المتفاعلة. يتم وصف هذا الاختلاف في طاقة الوضع الكهربائي إما بمصطلحات فرق الجهد أو القوة الدافعة الكهربائية (emf) أو جهد الخلية. emf هو مقياس للقوة الدافعة بين مفاعلين والميل إلى نقل الإلكترون.

بعض تفاعلات الأكسدة والاختزال عفوية ، والبعض الآخر ليس كذلك. على سبيل المثال ، يخضع السلك النحاسي لأكسدة تلقائية بواسطة أيونات الفضة (I) ، لكنه يفشل في إنتاج أي تفاعل عند غمره في محلول من أيونات الرصاص (II). يرجع ذلك إلى الاختلاف في نشاط الأكسدة والاختزال للنوعين Ag ⁺ ( aq ) و Pb ²⁺ ( aq ) نحو النحاس: يؤكسد أيون الفضة النحاس تلقائيًا ، لكن أيون الرصاص لا يؤكسد. يمكن قياس هذا الاختلاف في تفاعل الأكسدة والاختزال في الكيمياء الكهربائية باستخدام المصطلح & # 8216 ؛ جهد الخلية & # 8217 ؛؛ المعروف أيضًا باسم & # 8216 ؛ الجهد & # 8217 ؛.

يتم قياس جهد الخلية لاثنين من المتفاعلات المعزولة باستخدام مقياس الفولتميتر الذي يُقرأ بجهد الخلية. يرتبط فولت واحد بجول واحد من الطاقة الكامنة لكل كولوم من الشحنة الكهربائية.

تشير إمكانات الخلية العالية إلى قوة دافعة كبيرة وسهولة أكبر في نقل الإلكترون. أخيرًا ، تعتمد القوة الدافعة الكهربائية ، أو جهد الخلية ، على المتفاعلات & # 8217 ؛ الطبيعة ودرجة حرارة التفاعل وتركيز الأيونات الموجودة في التفاعل.

هذا النص مقتبس من OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.3: Electrode and Cell Potentials.

عند تدفق الإلكترونات عبر سلك،أو تدفق الأيونات عبر محلول،فإنها تولّد كهرباء. يُعرّف سيل الإلكترونات هذه،أو بتعبير أدقّالشحنة الكهربائية،على أنها تيار كهربائي. لكن ما الذي يجعل الإلكترونات تتدفق؟لنتأمل تفاعل تأكسد واختزال بين النحاس والزنك.

عند وضع قضيب من الزنك داخل محلول من أيونات النحاس،فإن الإلكترونات تنتقل من مادة إلى أخرى. لأن الزنك ميّال أكثر لفقد الإلكترونات،يتأكسد إلى أيونات الزنك،بينما تُختزل أيونات النحاس إلى نحاس صلب. في هذا التفاعل،تتدفق الإلكترونات من الزنك إلى النحاس،لكن هذا التفاعل لا يولّد كهرباء.

الآن لنعتبر أن المادتين المتفاعلتين،الزنك والنحاس،منفصلتان مكانيًا،ومتصلتان بواسطة موصل خارجي كسلك. ميل المادتين المتفاعلتين إلى اكتساب أو فقدان إلكترونات لا يزال مستمرًا،مما يدفع الإلكترونات للتدفق عبر السلك الواصل بين نصفي التفاعل. سيل الإلكترونات هذا يكوّن تيارًا كهربائيًا،يستطيع أن يغذي أجهزة كهربائية كالمصباح.

يُقاس التيار الكهربائي بالأمبيرات. الأمبير الواحد يساوي تدفق كولوم واحد من شحنة كهربائية لكل ثانية،ويعادل 6.24 10¹⁸ إلكترون في الثانية. تدفق التيار الكهربائي يشبه تدفق الماء نزولًا من شلال.

ما يحرك الماء هو الفرق في طاقة الجاذبية الكامنة،بينما ما يحرك الإلكترونات هو الفرق في الطاقة الكهربائية الكامنة ما بين المواد المتفاعلة. هذا الفرق في الطاقة الكهربائية الكامنة،يوصف بفرق الجهد،أو القوة الدافعة الكهربائية،أو جهد الخلية. جهد الخلية،هو قياس القوة الدافعة بين مادتين متفاعلتين والميل لانتقال الإلكترونات.

يُقاس جهد الخلية لمادتين متفاعلتين منفصلتين بجهاز قياس الجهد،ويُقرأ على شكل فولتية الخلية. يرتبط فولت واحد بجول واحد من الطاقة الكامنة لكل كولوم من الشحنة الكهربائية. يدل ارتفاع جهد الخلية على وجود قوة دافعة كبيرة وسهولة أكبر في انتقال الالكترونات.

أخيرًا،يعتمد جهد الخلية،أو القوة الدافعة الكهربائية،على طبيعة المواد المتفاعلة،ودرجة حرارة التفاعل،وتركيز الأيونات الداخلة في التفاعل.

• Electricity – The flow of electrons or ions through a conducting solution or medium.
• Electric Current – The flow of electrical charge, typically via electrons moving through a wire.
• Electron Transfer – The movement of electrons from one substance to another in a redox reaction.
• Electromotive force (emf) – Describes the difference in electrical potential energy between reactants.
• Cell Potential – A measure of the redox reactivity in electrochemistry, also commonly known as 'voltage'.

• Define Electricity – Explain how it is generated by electron or ion flow (e.g., electricity).
• Contrast Electric Current and Electron Transfer – Explain their roles in generating electricity (e.g., electric current).
• Explore Emf and Cell Potential – Describe how they drive the flow of electrons (e.g., emf).
• Explain the Mechanism of Electron Flow – Demonstrates how electrons flow through a wire to generate electricity.
• Apply in Context – Illustrate how understanding electron flow and electrical potential difference can be used in everyday applications.

• [Question 1] What is electricity and how does it involve electron or ion flow?
• [Question 2] How does the concept of emf and cell potential drive the flow of electrons?
• [Question 3] How does understanding electron flow and electrical potential difference apply to everyday life?

• Students – Understanding of electricity and its generation supports academic learning in physics and engineering.
• Educators – Offers a clear framework for teaching the concepts of electric current, emf, and cell potential.
• Researchers – Relevant for studies in electrical engineering, physics, and energy science.
• Science Enthusiasts – Provides insights into the generation of electricity, stimulating curiosity in science.