الكيمياء الكهربائية 2

الكيمياء الكهربائية 2                                                                                                              كيف تفسر التوصيل الكهربائي من خلال أشباه الموصلات Semiconductors  ؟    تعرف اشباه الموصلات بأنها مواد: توصل التيار الكهربائي نتيجة حركة الإلكترونات إلا أنها تتميز بأن قدرتها على التوصيل تزداد كلما ارتفعت درجة حرارة الموصل، وهي عبارة عن فلزات غير نقية.
يحدث تغير في النظام الشبكي البلوري وتصبح لها القدرة على التوصيل الكهربائي. فكيف يحدث التوصيل الكهربائي من خلال أشباه الموصلات ؟ يتوقف التوصيل في أشباه الموصلات على نوع الشوائب المضافة ولهذا فهناك نوعان من أشباه الموصلات.  1- أشباه الموصلات السالبة: إذا تم إضافة ذرات الزرنيخ As والتي لها خمسة الكترونات تكافؤ إلى بلورة الجرمانيوم . فإن كل ذرة زرنيخ يكون متصلا بأربع روابط تساهمية مع أربع ذرات من الجرمانيوم ويبقى على ذرة الزرنيخ إلكترون تكافؤ واحد غير مقيد  في تكوين رابطة  وبالتالي يصبح هذا الإلكترون حرة الانتقال من مكان إلى آخر في بلورة الجرمانيوم عند التأثير عليها بفرق جهد كهربائي . ووجود هذه الالكترونات يؤدي إلى أن يكتسب الجرمانيوم القدرة على التوصيل الكهربائي وبالتالي يطلق عليها اسم أشباه الموصلات السالبة . 2- أشباه الموصلات الموجبة: إذا تم إضافة ذرات الألومينيوم Al أو البورون B والتي لها ثلاث الكترونات تكافؤ إلى بلورة الجرمانيوم . ففي هذه الحالة تكون كل ذرة الومينيوم مرتبطة بثلاث روابط تساهمية مع الجرمانيوم والذي يبقى لديه إلكترون غير مشترك في تكوين رابطة.   شكل بلورة الجرمانيوم النقي شبه الموصل السالب شبه الموصل الموجب ويؤدي ذلك إلى نقص رابطة من النظام البلوري للجرمانيوم وتمثل هذه الروابط المفقودة في البلورة ثقوبا فارغة. ويعمل كل من هذه الثقوب  كمصيدة يمكن أن يسقط فيها إلكترون  فإذا ما وصلت بلورة جرمانيوم / الومينيوم Ge/Al بمصدر للتيار الكهربائي. تنفك إحدى الروابط بين الذرات تحت تأثير فرق الجهد. ويؤدي ذلك إلى ما يشبه سقوط الإلكترون في الثقب المجاور, مما يؤدي إلى تكوين ثقب آخر خلفه يملؤه إلكترون آخر وهذا يترك خلفه ثقبا آخر وهكذا. مما يؤدي إلى توصيل التيار الكهربائي  ويطلق على أشباه الموصلات من هذا النوع باسم أشباه الموصلات الموجبة . مما سبق : أشباه الموصلات تنتج من إضافة شوائب إلى  بلورات العناصر غير الموصلة في حالتها النقية , وهذه الشوائب ذرات تحتوي على الكترونات تكافؤ أكثر أو اقل من الكترونات تكافؤ ذرات العنصر غير الموصلة فان كانت أكثر أصبح شبه الموصل سالب وان كانت اقل أصبح شبه الموصل موجب ولكن يجب الانتباه إلى إن شبه الموصل السالب الموجب متعادل كهربائيا .
كيف تفسر التوصيل الكهربائية من خلال الموصلات الضوئية ؟  هناك بعض الفلزات وأكاسيد الفلزات من مثل الصوديوم والبوتاسيوم واكسيد البوتاسيوم واكسيد السيزيوم تنبعث منها الالكترونات عندما تتعرض للأشعة الضوئية خاصة اشعة التردد العالي من مثل الاشعة فوق البنفسجية .  فعندما يسقط الضوء على سطح فلز منها , يمتص الفلز بعض الفوتونات الساقطة فتكتسب بعض الالكترونات هذه الطاقة التي تمكنها من التغلب على قوة التجاذب بينها وبين النواة . فتنطلق من سطحه . ويطلق على هذه الظاهرة اسم الانبعاث الكهروضوئي . بعض الفلزات من مثل الصوديوم والبوتاسيوم يمكن ان تطلق الكترونات بتأثير الضوء العادي عليها الا ان معظم الفلزات تحتاج الى ضوء ذي طول موجة اقصر ولذا فان الاشعة فوق البنفسجية او الاشعة السينية تكون افضل من اشعة الضوء المرئي المعتاد . مثال اذا كان في دائرة كهربائية القطب السالب ( الكاثود ) من الفضة المغطاة بالسيزيوم ثم تم تسليط الضوء عليه فان الالكترونات سوف تنتقل من الكاثود الى الانود وبذلك عملت على توصيل التيار الكهربائي . والدوائر الكهربائية التي يتم فيها فتح واغلاق الدائرة بواسطة الخلايا الكهروضوئية  تستخدم في اغراض شتى من مثل فتح واغلاق مصابيح انارة الشوارع اليا وكذلك في عند وصلها بمحرك يفتح ويغلق باب كلما اقترب شخص منه يقطع الحزمة الضوئية . والتي تستخدم في المصاعد وابواب المطارات والفنادق وغيرها .
كيف تفسر التوصيل الكهربائي من خلال الموصلات الأيونية ( الإلكتروليتية ) ؟  عند انصهار مركب أيوني فإنه يتفكك إلى كاتيونات وأنيونات حرة الحركة وكذلك عند ذوبان مادة الكتروليتية في الماء فإنها تتأين أو تتفكك إلى كاتيونات إلى أنيونات حرة الحركة وفي الحالتين في الموصل الإلكتروليتي لا بد من وجود الكاتيونات والأنيونات الحرة الحركة فتحت تأثير فرق الجهد ( وضع الأقطاب والبطارية ) تتجه الايونات نحو الأقطاب المخالفة لها بالشحنة فتتجه الأنيونات نحو القطب الموجب ( الأنود ) وتتبادل الالكترونات معه وتحدث عملية أكسدة وتتجه الكاتيونات نحو القطب السالب ( الكاثود ) وتتبادل الالكترونات معه وتحدث عملة اختزال وبهذا يتم اكتمال الدائرة الكهربائية فيتم التوصيل .
يعتمد التوصيل الإلكتروليتي في المحاليل على قدرة الايونات على الحركة ( مقدار حرية الحركة للأيونات ). ومن العوامل التي تؤثر على حرية حركة الأيونات في المحلول:
1- التجاذب الأيوني المتبادل بين الأيونات المختلفة الشحنة ( تجاذب مذاب - مذاب ). 2- إماهة الأيونات ( إحاطة جزيئات الماء بأيونات المادة ) ( تجاذب مذاب - مذيب ). 3- لزوجة المذيب ( تجاذب مذيب - مذيب ).
وسؤالنا الآن ما تأثير ارتفاع درجة حرارة المحلول الإلكتروليتي على التوصيل الكهربائي؟ عند ارتفاع درجة حرارة الموصل يقل كل من التجاذب الأيوني المتبادلوإماهة الايونات ولزوجة المذيب مما يزيد من حرية حركة الأيونات وكذلك تزداد الطاقة الحركية للأيونات مما يجعل سرعة وصول الايونات نحو الأقطاب المخالفة لها بالشحنة اكبر وبالتالي يزداد التوصيل بارتفاع درجة حرارة .

إلى أعلى الصفحة

الكيمياء الكهربائية 1

الكيمياء الكهربائية: علم  يهتم بدراسة التفاعلات الكيميائية التي يصاحبها امتصاص أو انطلاق طاقة كهربائية.

ولهذا الفرع من الكيمياء أهمية كبيرة في حياتنا اليومية فمعظم الأجهزة الالكترونية التي نستخدمها من هاتف أو آلة حاسبة أو مصباح إضاءة أو آلة التصوير تحتاج إلى طاقة كهربائية تحصل عليها من البطاريات الموضوعة فيها  فكيف تعمل تلك البطاريات ؟ وكذلك الحصول على بعض العناصر من مركباتها يحتاج إلى طاقة كهربائية , والطلاء الكهربائي وشحن البطارية وحماية المنشأت من التآكل كيف يتم كل هذا؟ سوف تجد إجابة لتلك التساؤلات من خلال تجوالك معنا في رحاب الكيمياء الكهربائية.

قبل أن انطلاقنا، هناك بعض الأساسيات التي يجب التعرف عليها:

1- ما المقصود بالتوصيل الكهربائي؟  يقصد بالتوصيل الكهربائي: عملية انتقال الشحنات الكهربائية خلال المادة من نقطة إلى أخرى في صورة تيار كهربائي.

2- ما الشروط اللازمة لوجود تيار كهربائي؟  وجود مصدر للتيار ( فرق جهد - مولد - منبع ). وجود حاملات للشحنة الكهربائية ( مادة موصلة للتيار ).

3- ما أنواع حاملات الشحنة الكهربائية ؟       أ- الالكترونات: وتكون في الموصلات الالكترونية    ( فلزات - أشباه موصلات ).    ب- أيونات ( كاتيونات وأيونات ): وتكون في الموصلات الأيونية ( مصاهير المركبات الأيونية - محاليل الكتروليتية - محاليل أحماض أو قلويات أو أملاح ).

الموصلات الإلكترونية  ( الفلزية ):Metallic or Electronic Conductors  هي المواد التي توصل التيار الكهربائي نتيجة حركة الالكترونات بداخلها.  الموصلات أيونية  أو إلكتروليتية : Electrolytic or Ionic Conductors هي المواد التي توصل التيار الكهربائي عن طريق حركة الأيونات ( الموجبة والسالبة ) داخلها.

كيف تفسر التوصيل الكهربائي من خلال الموصلات الإلكترونية ( الفلزية ) ؟ لكل فلز تركيب بلوري معين تترتب فيه الذرات بنظام يسمى  البلورة الفلزية Metallic Crystal والذي يمكن تشبيه المراكز الموجبة ( النواة مع الكترونات المستويات الداخلية ) كأنها تسبح في بحر من الكترونات التكافؤ ( الكترونات المستويات الخارجية ) فتكون حركة المراكز الموجبة حركة اهتزازية حول مراكزها في الشبيكة البلورية بينما الكترونات التكافؤ لا تكون تابعة لذرة معينة وتتحرك حركة عشوائية وفي جميع الاتجاهات . وعند توصيل الموصل بمصدر خارجي للتيار ( مولد - بطارية ) تندفع الالكترونات من احد طرفي الموصل إلى الطرف الآخر لتكون سيلا من الالكترونات في اتجاه معين ( تيار كهربائي ) . وبهذا يكون عدد الالكترونات ثابت في أي مقطع من الموصل حيث عمل المولد هنا كمخضة الكترونية تدفع الالكترونات  . تتميز الفلزات بالتوصيل الجيد للتيار الكهربائي بسبب حرية الحركة الكبيرة لالكترونات التكافؤ فيها . وبالتالي تكون مقاومتها للتوصيل صغيرة ويعزى سبب المقاومة للحركة الاهتزازية للمراكز الموجبة حول مراكزها في البلورة والتي تعمل على إعاقة حركة الالكترونات. والآن ما تأثير ارتفاع درجة حرارة الموصل الإلكتروني ( الفلز ) على التوصيل الكهربائي ؟  بزيادة درجة الحرارة تزداد السعة الاهتزازية للمراكز الموجبة حول مراكز استقرارها في البلورة مما يزيد من عرقلة حركة الالكترونات تحت تأثير فرق الجهد فتزداد المقاومة ويقل التوصيل للتيار الكهربائي.

العوامل التي تؤثر على التوصل الإلكتروني في الفلزات:  1- نوع مادة الفلز: حيث تختلف درجة التوصيل من فلز لآخر باختلاف المقاومة النوعية للفلز  حيث يزداد التوصيل بزيادة عدد الكترونات التكافؤ وقلة الشحنة التأثيرية الموجبة للنواة على الكترونات التكافؤ.  2- مساحة مقطع السلك ( الموصل ): حيث تتناسب مقاومة الفلز عكسيا مع مساحة مقطع السلك لوجود مساحة اكبر لتدفق الكترونات التيار. 3- طول السلك: وتتناسب مقاومة السلك للتوصيل الكهربائي لزيادة عدد التصادمات بين الالكترونات المتدفقة والمراكز الموجبة في جسم الفلز. 4- درجة حرارة الفلز ( الموصل ): كما تم الشرح سابقا.              إلى أعلى الصفحة