【المعرفة الأساسية 9】 ما هو الطبقة المزدوجة الكهربائية؟ (مسابقة أسئلة وأجوبة مع جوائز)

يُطلق على الجزء الداخلي من الجسيم اسم “نواة الجسيم”، وعادةً ما تكون هذه النواة مشحونة سالبًا، مما يشكل طبقة من الأيونات السالبة (أي طبقة الأيونات التي تحدد الجهد الكهربائي). أما الجزء الخارجي من الجسيم، فإنه يشكل طبقة من الأيونات الموجبة بسبب الجاذبية الكهربائية (وتشمل هذه الطبقة طبقة الأيونات غير النشطة وطبقة الانتشار). يُطلق على هذين الطبقتين معًا اسم “الطبقة المزدوجة الشحن”: الطبقة الأولى هي الأيونات المرتبطة بسطح الجسيم، أما الطبقة الثانية فهي طبقة الانتشار، وتعتمد على القوى الكهروستاتيكية.

عادةً ما يكون للجسيمات شحنة سالبة في داخلها، مما يشكل طبقة شحنة سالبة، أما في الخارج فإن وجود المحاليل الكهربائية يؤدي إلى تكوين طبقة شحنة موجبة، ويُطلق على هذا النظام اسم الطبقة المزدوجة الشحنة. الطبقة الأولى هي الأيونات المرتبطة بالسطح. الطبقة الثانية هي طبقة الانتشار، وتعتمد على الالتصاق الكهروستاتيكي.

عندما يتلامس أي طورين مختلفين، ينشأ جهد كهربائي بين الطورين، وذلك بسبب انفصال الشحنات. لكل من الطورين شحنة زائدة، وتكون كمية الشحنة متساوية، لكن الإشارات الموجبة والسالبة معاكسة، فيتم جذب الطورين لبعضهما البعض، مما يؤدي إلى تكوين طبقة كهربائية مزدوجة.

من فضلك، شرح ما هو الطبقة المزدوجة الكهربائية؟ عندما تكتسب سطوح المعادن على واجهة الصلب-السائل شحنة كهربائية، فإن قوى الكهروستاتيك تجذب الأيونات ذات الشحنة المعاكسة الموجودة في المحلول المائي، مما يؤدي إلى تكوين طبقتين ذواتي شحنات معاكسة على جانبي واجهة الصلب-السائل، ويُطلق على هذا النظام اسم الطبقة المزدوجة الكهربائية.

نظرية الطبقة المزدوجة الكهربائية: تؤدي القوى الكهروستاتيكية للنواة الهلامية إلى امتصاص الأيونات المضادة في المحلول حولها. نتيجة لقوة الجذب الكهروستاتيكية لأيونات الشحنة الموجبة وتأثير الحركة الحرارية للأيونات المعاكسة، بالإضافة إلى تأثير ترطيب المحلول للأيونات المعاكسة، فإن تركيز هذه الأيونات يقل تدريجيًا مع زيادة المسافة عن سطح الجسم الصلب، ويتبع توزيعها توزيع بولتزمان. قدم العالم الألماني دبليو. نيرنست تفسيرًا جيدًا لآلية تكوين الجهد الكهربائي للأقطاب الكهربائية. يعتقد أنه عند إدخال المعدن في محلول ملحي، فإن الأيونات الموجبة على سطح المعدن تتأثر بجزيئات الماء ذات القطبية، مما يجعلها تتحول إلى أيونات مذابة داخل المحلول، وبالتالي يبقى الإلكترونات على سطح المعدن. كلما كان المعدن أكثر نشاطًا، وكلما كان تركيز الأيونات الموجبة في المحلول أقل، كانت هذه الميول أكبر. في الوقت نفسه، هناك ميل لأيونات المعادن الموجودة في المحلول إلى الترسب على سطح المعدن. وكلما زاد تركيز أيونات المعادن في المحلول، قلت نشاط المعدن، وبالتالي يزداد هذا الميل. عندما يكون معدل كل من عمليتي الذوبان والترسيب متساويًا، يتحقق التوازن الديناميكي: فإذا كانت ميل الفلز إلى الذوبان أكبر من ميل أيونات الفلز إلى الترسيب، فإن سطح الفلز يكتسب شحنة سالبة، بينما يكتسب الخليط القريب من سطح الفلز شحنة موجبة، وهكذا يتشكل "الطبقة المزدوجة الشحنة". على العكس، إذا كانت ميول الترسيب أكبر من ميول الذوبان، فإن ذلك يؤدي إلى تكوّن طبقة من الشحنات الموجبة على سطح المعدن، بينما يكون المحلول الموجود بالقرب من المعدن مشحونًا بشحنات سلبية. نظرًا لتكوّن الطبقة المزدوجة الشحن عندما يصل الذوبان والترسيب إلى حالة التوازن، فإن ذلك يؤدي إلى ظهور فرق جهد. يُطلق على هذا الفرق جهد التوازن للقطب الكهربائي، ويُعرف أيضًا باسم جهد القطب القابل للعكس. تختلف قابلية التفاعل لدى المعادن، وبالتالي يختلف أيضًا جهد القطب الكهربائي الخاص بها. لذلك، يمكن استخدام جهد القطب الكهربائي كمقياس لقدرة المعدن على فقدان الإلكترونات.

عندما يتلامس أي طورين مختلفين، ينشأ جهد كهربائي بين الطورين، وذلك بسبب انفصال الشحنات. لكل من الطورين شحنة زائدة، وتكون كمية الشحنة متساوية، لكن الإشارات الموجبة والسالبة معاكسة، فيتم جذب الطورين لبعضهما البعض، مما يؤدي إلى تكوين طبقة كهربائية مزدوجة. 　　يوجد جهد كهربائي عند الحد الفاصل بين المعدن والإلكتروليت في الأقطاب الكهربائية، وهو ما يؤدي أيضًا إلى تكوين طبقة ثنائية الشحنة، ويبلغ سمك هذه الطبقة عادةً من 0.2 إلى 20 نانومتر. الطور المعدني للإلكترودات هو موصل جيد، وتتركز الشحنات الزائدة على السطح ； مقاومة الإلكتروليت كبيرة، والشحنات الزائدة تظل ملتصقة جزئيًا فقط بواجهة الأطوار، ويُطلق على ذلك الطبقة المزدوجة المضغوطة (compact double layer) ； الجزء المتبقي يكون في حالة متفرقة، ويُسمى الطبقة المزدوجة المتفرقة (diffuse double layer) ； تمت ترجمته خطأ على أنه "طبقة الانتشار"). تتم الخطوة الأساسية في تفاعل الأقطاب الكهربائية، وهي عملية الانتقال (أي عملية التنشيط)، داخل الطبقة المتكثفة. كما يحدث أيضًا تأثير على عملية الامتصاص في تفاعل الأقطاب الكهربائية داخل الطبقة الثنائية الشحنة. لذلك، فإن دراسة بنية الطبقة الثنائية الشحنة لها أهمية كبيرة سواء من الناحية النظرية في الكيمياء الكهربائية أو من الناحية العملية في التطبيقات الصناعية. 　　يحتوي سطح النواة الهلامية على طبقة من الأيونات، والتي تُعرف بالأيونات الكهربائية. تقوم هذه الطبقة من الأيونات الكهربائية، من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية، بجذب الأيونات ذات الشحنات المعاكسة في المحلول إلى محيط النواة الهلامية. تُسمى الأيونات المجذبة بالأيونات المضادة، وإجمالي شحناتها يساوي شحنات الأيونات الكهربائية، لكن بعلامة معاكسة. وبهذه الطريقة، يتكون ما يُسمى بالطبقة المزدوجة الشحنية في منطقة واجهة التفاعل بين الوسط المحيط بالنواة اللاصقة.

عادةً ما تحمل الجسيمات شحنة سالبة في داخلها، مما يشكل طبقة شحنة سالبة، أما في الخارج، فإن وجود المحاليل الكهربائية يؤدي إلى تكوين طبقة شحنة موجبة، وتُسمى هذه الطبقة بالطبقة الثنائية الشحن. الطبقة الأولى هي الأيونات المرتبطة بالسطح. الطبقة الثانية هي طبقة الانتشار، التي تتم عملية الالتصاق فيها بفضل التأثير الكهروستاتيكي.

الإجابة الصحيحة: عند غمر المعدن في محلول كهرلي، تتفاعل الذرات الموجودة على سطح المعدن مع جزيئات الماء ذات الشحنة القطبية وأيونات الكهرل الموجودة في المحلول، مما يؤدي إلى تكوين هياكل ذات شحنات مختلفة على كل من سطح المعدن وجانب المحلول.