پل نمکی چیست و چطور ساخته می شود؟ — به زبان ساده

پل نمکی وسیله‌ای است که در سلول‌های الکتروشیمیایی بمنظور اتصال نیم‌سلول‌های اکسایش و کاهش مورد استفاده قرار می‌گیرد تا بین نیم‌سلول‌ها، تبادل یونی داشته باشیم. به عبارت دیگر، یک پل نمکی سبب ارتباط بخش‌های کاتدی و آندی در یک نیم‌سلول یا محلول الکترولیتی می‌شود. پل نمکی به طور معمول شامل الکترولیتی قوی از ترکیباتی همچون $$AgNO_3$$ و $$KCl$$ است. از پل نمکی، بیشتر در سلول‌هایی همچون سلول گالوانی استفاده می‌شود.

نقش پل نمکی

وظیفه اصلی پل نمکی، کمک به حفظ حالت خنثی در مدار داخلی (محلول الکترولیت) یک سلول الکتروشیمیایی است. علاوه بر این، این وسیله کمک می‌کند تا واکنش‌های سلول، به سمت تعادل شیمیایی پیشروی نکنند.

فیلم آموزش الکتروشیمی کاربردی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

اگر پل نمکی نداشته باشیم یا اگر از آن‌ها استفاده نکنیم، با پیشرفت واکنش، یکی از محلول‌ها دارای بار مثبت و دیگری دارای بار منفی خواهد شد. در اثر این اتفاق، واکنش متوقف می‌شود و هیچ جریان الکتریکی به تولید نمی‌رسد.

بنابراین، یک پل نمکی به طور کلی از تجمع بارهای مثبت و منفی در الکترودها جلوگیری می‌کند و سبب می‌شود تا واکنش، پیشروی آرامی داشته باشد و جریان الکترون‌ها به طور پیوسته انجام بگیرد. با این وجود، هدف یک پل نمکی این نیست که الکترون‌ها را در الکترولیت حرکت بدهد بلکه هدف این وسیله، حفظ موازنه بار است چراکه الکترون‌ها از یک نیم‌سلول به دیگری حرکت می‌کنند. در ادامه، نکات دیگری نیز در خصوص پل نمکی ارائه می‌شوند.

• پل نمکی از «نفوذ» (Diffusion) یا جریان یافتن محلول از یک سلول به دیگری جلوگیری می‌کند.
• این وسیله سبب کاهش «پتانسیل اتصال» (Junction Potential) مایع-مایع می‌شود یا به طور کامل، از وقوع آن جلوگیری می‌کند.
• پل نمکی رفتاری همچون یک رابط الکتریکی بین دو نیم‌سلول دارد.

کارکرد پل نمکی

اکسایشی که در آند صورت می‌گیرد، الکترون و یون‌های مثبت تولید می‌کند. حال،‌ الکترون‌ها از میان یک سیم عبور می‌کنند و بار مثبتی در یکی از بشرها ایجاد می‌شود. برای حفظ حالت الکتریکی خنثی، یون‌های منفی (در اینجا، یون‌های $$NO_3^-$$ به طرف بشر با بار مثبت حرکت می‌کنند.

محلول مشابهی نیز در نیم‌سلول کاتد بوجود می‌آید که عکس حالت قبل است. در تصویر بالا، یون‌های $$Cu ^ {2+}$$ مصرف می‌شوند. بنابراین برای حفظ حالت الکتریکی خنثی، یون‌های $$K^+$$ از طریق پل نمکی به طرف نیم‌سلول حاوی یون مس حرکت می‌کنند و به این ترتیب، حالت خنثی محلول نیز حفظ می‌شود.

انواع پل نمکی

به طور کلی، دو نوع پل نمکی در سلول‌های الکتروشیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد:

• «پل نمکی شیشه‌ای» (Glass Tube Bridge) یا لوله‌ای
• «کاغذ صافی» (Filter Paper Bridge)

فیلم آموزش آشنایی با سنسورهای الکتروشیمیایی در فرادرس

کلیک کنید

پل نمکی شیشه ای

به طور کلی، این نوع از پل‌های نمکی، به صورت لوله‌ای U شکل هستند که داخل آن‌ها با یک الکترولیت، پر شده است. الکترولیت‌های داخل این پل‌ها به طور معمول، ترکیبات زیر را شامل می‌شوند:

• پتاسیم کلرید ($$KCl$$)
• پتاسیم نیترات ($$KNO_3$$)

این الکترولیت‌ها نباید با محلول داخل ظروف، واکنش دهند و سرعت حرکت کاتیون‌ها و آنیون‌ها باید با محلول داخل ظرف مشابه باشد. در حقیقت باید بار یون و وزن مولکولی مشابهی باید داشته باشند. این الکترولیت‌ها در داخل پل نمکی به طور معمول به شکل ژل نگهداری می‌شوند.

غلظت محلول نمکی و همچنین قطر لوله شیشه‌ای،‌ نقش مهمی را در هدایت الکتریکی پل ایفا می‌کنند. با کاهش غلظت محلول و قطر لوله، هدایت الکتریکی کاهش می‌یابد.

کاغذ صافی

نوع دیگری از پل‌های نمکی وجود دارد که  به صورت یک کاغذ صافی یا ماده‌ای متخلخل است که به شکل غوطه‌ور در داخل الکترولیت قرار می‌گیرد. الکترولیت نیز به طور معمول، سدیم کلرید یا پتاسیم کلرید است. عوامل موثر بر هدایت این نوع از پل‌های نمکی در زیر آورده شده‌اند:

• غلظت الکترولیت
• تخلخل
• زبری کاغذ

برای اینکه هدایت الکتریکی بالایی داشته باشیم از یک کاغذ صافی با جذب ملایم بهره می‌گیریم چراکه نسبت به کاغذهایی با جذب پایین، هدایت بهتری دارند. همانطور که در بالا به آن اشاره شد، عملکرد اصلی یک پل نمکی، حفظ حالت خنثی بین دو بِشر است. برای تحقق این امر، نمک مورد استفاده باید خنثی باشد و بین دو بشر، تبادیل یونی داشته باشیم. برخلاف سایر نمک‌ها، پتاسیم کلرید و پتاسیم نیترات، از لحاظ خنثی بودن، نمک‌های بهتری هستند.

نمک خنثی برای پیشگیری از وقوع واکنش بین نمک و محلول، مورد استفاده قرار می‌گیرد. از نمک پتاسیم کلرید در این خصوص بیشتر بهره می‌برند چراکه میزان پتانسیل اتصال را کاهش می‌دهند. البته زمانیکه سلول، شامل الکترودهای نقره یا سرب باشد، به دلیل تشکیل رسوب، نباید از پتاسیم کلرید استفاده کنیم.

پل نمکی در الکترولیز

پل‌های نمکی در سلول‌های الکترولیتی نیز همچون سلول‌های الکتروشیمیایی عمل می‌کنند. اگر دو الکترود را در یک محلول (شامل یک ظرف) قرار دهیم، نیازی به پل نمکی نخواهیم داشت. اما اگر بخواهیم هریک از الکترودها در محلول و ظرفی مجزا قرار داشته باشند، برای تکمیل مدار، به پل نمکی نیاز داریم و این پل همچون یک حامل بار در مدار عمل می‌کند.

ساخت پل نمکی

برای ساخت پل نمکی از موادی با اندازه کافی بهره بگیرید تا با اندازه‌ای مناسب،‌ بین دو بشر قرار بگیرند. این مواد می‌توانند پارچه، سیم یا موادی کاغذی باشند که آن‌ها را در محلول الکترولیت، غوطه‌ور کرده‌ایم. این کار تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که این مواد، از الکترولیت اشباع شوند. پس از آن باید با دقت، مواد را از محلول الکترولیت خارج کنید.

اگر بخواهید پل نمکی از ژل درست کنید باید مواد ژل (پودر ژلاتین مخصوص) در محلول الکترولیت غوطه‌ور شوند و این سوسپانسیون را حرارت می‌دهند. در ادامه نیز به ژل ویسکوز فرصت داده می‌شود تا در یک لوله شیشه‌ای، سفت شود. بعد از این اتفاق، ژلی الاستیک داریم که می‌توان از آن به عنوان پل نمکی استفاده کرد.

سلول گالوانی بدون پل نمکی

سوال مهمی که همواره در مباحث الکتروشیمی مطرح می‌شود این است که اگر در یک سلول گالوانی، از هیچ پل نمکی استفاده نکنیم، چه اتفاقی روی می‌دهد. به این سوال به طور مختصر در ابتدای متن، پاسخ گفتیم اما در ادامه، با جزئیات بیشتری این مورد را بررسی خواهیم کرد.

فیلم آموزش الکتروشیمی تجزیه ای ۱ در فرادرس

کلیک کنید

همانطور که می‌دانید، در یک سلول گالوانی (ولتایی)، جریان الکتریکی از طریق واکنش‌های اکسایش و کاهش تولید می‌شود و پل نمکی، نقش بسیار مهمی در انجام این واکنش‌ها و تولید الکتریسیته دارد. در ادامه خواهیم دید که اگر در یک سلول گالوانی، پل نمکی نداشته باشیم، چه اتفاقی روی می‌دهد.

پیش از وصل شدن سیم‌ها، محلول در هر بشر، در حالت خنثی قرار دارد و بنابراین، تعداد بارهای مثبت و منفی در هریک، برابر خواهند بود. الکترود روی (Zn) که نقش آند سلول گالوانی را دارد، با از دست دادن ۲ الکترون، به یون تبدیل می‌شود و این الکترون‌ها از طریق سیم به طرف الکترود مس (کاتد) حرکت می‌کنند. در نتیجه، از آن‌جایی که الکترود روی، الکترون از دست داده است، دارای بار مثبت می‌شود.

الکترود مس نیز دو الکترون جذب می‌کند و سبب خروج یک یون مس $$Cu ^ {2+}$$ و جذب آن دو الکترون می‌شود. در اثر انجام این اتفاق، یک اتم مس بر روی الکترود مس رسوب می‌کند و در نتیجه، محلول، دارای بار منفی خواهد شد. حال، در این‌جا، دو اختلاف پتانسیل داریم: یک اختلاف پتانسیل بین الکترود‌ها و دیگری بین محلول‌های باردار.

اختلاف پتانسیل بین الکترودها، مثبت و بین محلول‌ها منفی است یعنی در هر بشر، یک اختلاف پتانسیل مجزا وجود دارد و این دو اختلاف پتانسیل، یکدیگر را خنثی می‌کنند و در نتیجه آن، هیچ جریان الکتریکی تولید نخواهد شد. با بررسی همین نکته می‌توان به اهمیت پل‌های نمکی در هر سلول الکتروشیمیایی پی برد.