up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله الکترو شيمي PDF
QR code - الکترو شيمي

الکترو شيمي

تمام واکنشهاي شيميايي ، اساسا ماهيت الکتريکي دارند، زيرا الکترونها در تمام انواع پيوندهاي شيميايي (به راههاي گوناگون) دخالت دارند. اما الکتروشيمي بيش از هر چيز بررسي پديده هاي اکسايش- کاهش است. روابط بين تغيير شيميايي و انرژي الکتريکي ، هم از لحاظ نظري و هم از لحاظ عملي حائز اهميت است.
از واکنشهاي شيميايي مي توان براي توليد انرژي الکتريکي استفاده کرد (در سلولهايي که سلولهاي ولتايي يا سلولهاي گالواني ناميده مي شوند) و انرژي الکتريکي را مي توان براي تبادلات شيميايي بکار برد (در سلولهاي الکتروليتي). علاوه بر اين ، مطالعه فرآيندهايي الکتروشيميايي منجر به فهم و تنظيم قواعد آنگونه از پديده هاي اکسايش - کاهش که خارج از اينگونه سلولها روي مي دهند، نيز مي شود. با برخي فرآيندهاي الکتروشيميايي آشنا مي شويم.
● رسانش فلزي
جريان الکتريکي ، جاري شدن بار الکتريکي است. در فلزات ، اين بار بوسيله الکترونها حمل مي شود و اين نوع رسانش الکتريکي ، رسانش فلزي ناميده مي شود. با بکار بردن يک نيروي الکتريکي که توسط يک باتري يا هر منبع الکتريکي ديگر تامين مي گردد، جريان الکتريکي حاصل مي شود و براي توليد جريان الکتريکي ، يک مدار کامل لازم است. تشبيه جريان الکتريسيته به جريان يک مايع ، از قديم متداول بوده است. در زمانهاي گذشته ، الکتريسيته به صورت جرياني از سيال الکتريکي توصيف مي شد.
قراردادهاي قديمي که سابقه آنها ممکن است به “بنجامين فرانکلين” برسد و پيش از آن که الکترون کشف شود، مورد پذيرش بوده است، بار مثبتي به اين جريان نسبت مي دهد. ما مدارهاي الکتريکي را با حرکت الکترونها توجيه خواهيم کرد. اما بايد به خاطر داشت که جريان الکتريکي بنا به قرارداد بطور اختياري مثبت و به صورتي که در جهت مخالف جاري مي شود، توصيف مي گردد.
جريان الکتريکي برحسب آمپر (A) و بار الکتريکي برحسب (C) کولن اندازه گيري مي شود. کولن ، مقدار الکتريسيته است که در يک ثانيه با جريان ۱ آمپر از نقطه اي مي گذرد: ۱C = ۱A.S و ۱A = ۱C S . جريان با اختلاف پتانسيل الکتريکي که بر حسب ولت اندازه گيري مي شود، در مدار رانده مي شود. يک ولت برابر يک ژول بر کولن است. ۱V = ۱J C يا ۱V.C = ۱J . يک ولت لازم است تا يک آمپر جريان را از مقاومت يک اهم بگذراند.
● رسانش الکتروليتي
رسانش الکتروليت ، هنگامي صورت مي گيرد که يونهاي الکتروليت بتوانند آزادانه حرکت کنند، چون در اين مورد ، يونها هستند که بار الکتريکي را حمل مي کنند. به همين دليل است که رسانش الکتروليتي ، اساس توسط نمکهاي مذاب و محلولهاي آبي الکتروليتها صورت مي گيرد. علاوه بر اين ، براي تداوم جريان در يک رساناي الکتروليتي لازم است که حرکت يونها با تغيير شيميايي همراه باشد. منبع جريان در يک سلول الکتروليتي ، الکترونها را به الکترود سمت چپ مي راند.
بنابراين مي توان گفت که اين الکترود ، بار منفي پيدا مي کند. اين الکترونها از الکترود مثبت سمت راست کشيده مي شوند. در ميدان الکتريکي که بدين ترتيب بوجود مي آيد، يونهاي مثبت يا کاتيونها به طرف قطب منفي يا کاتد و يونهاي منفي يا آنيونها به طرف قطب مثبت يا آند جذب مي شوند. در رسانش الکتروليتي ، بار الکتريکي بوسيله کاتيونها به طرف کاتد و بوسيله آنيونها که در جهت عکس به طرف آند حرکت مي کنند، حمل مي شود.
براي اين که يک مدار کامل حاصل شود، حرکت يونها بايد با واکنشهاي الکترودي همراه باشد. در کاتد ، اجزاي شيميايي معيني (که لازم نيست حتما حامل بار باشند) بايد الکترونها را بپذيرند و کاهيده شوند و در آند ، الکترونها بايد از اجزاي شيميايي معيني جدا شده ، در نتيجه آن ، اجزا اکسيد شوند. الکترونها از منبع جريان خارج شده ، به طرف کاتد رانده مي شوند.
عوامل موثر بر رسانش الکتروليتي
رسانش الکتروليتي به تحرک يونها مربوط مي شود و هر چند که اين يونها را از حرکت باز دارد، موجب ايجاد مقاومت در برابر جريان مي شود. عواملي که بر رسانش الکتروليتي محلولهاي الکتروليت اثر دارند، عبارتند از : جاذبه بين يوني ، حلال پوشي يونها و گرانروي حلال. انرژي جنبشي متوسط يونهاي ماده حل شده با افزايش دما زياد مي شود و بنابراين مقاومت رساناهاي الکتروليتي ، بطور کلي با افزايش دما کاهش مي يابد. يعني رسانايي زياد مي شود. به علاوه ، اثر هر يک از سه عامل مذکور با زياد شدن دما کم مي شود.
الکتروليز (برقکافت)
الکتروليز يا برقکافت سديم کلريد مذاب ، يک منبع صنعتي تهيه فلز سديم و گاز کلر است. روشهاي مشابهي براي تهيه ديگر فلزات فعال ، مانند پتاسيم و کلسيم بکار مي روند. اما چنانکه بعضي از محلولهاي آبي را برقکافت کنيم، آب به جاي يونهاي حاصل از ماده حل شده در واکنشهاي الکترودي دخالت مي کند. از اينرو ، يونهاي حامل جريان لزوما بار خود را در الکترودها خالي نمي کنند. مثلا در برقکافت محلول آبي سديم سولفات ، يونهاي سديم به طرف کاتد و يونهاي سولفات به طرف آند حرکت مي کنند، اما بار اين هر دو يون با اشکال تخليه مي شود.
بدين معني که وقتي عمل برقکافت بين دو الکترود بي اثر در جريان است، در کاتد ، گاز هيدروژن بوجود مي آيد و محلول پيرامون الکترود ، قليايي مي شود:
(۲H۲O + ۲e → ۲OH- + H۲(g
يعني در کاتد ، کاهش صورت مي گيرد، ولي به جاي کاهش سديم ، آب کاهيده مي شود. بطور کلي ، هرگاه کاهش کاتيون ماده حل شده مشکل باشد، کاهش آب صورت مي گيرد. اکسايش در آند صورت مي گيرد و در برقکافت محلول آبي Na۲SO۴ ، آنيونها (۲-SO۴) که به طرف آند مهاجرت مي کنند، به سختي اکسيد مي شوند:
۲SO۴۲- → S۲O۴۲- + ۲e
بنابراين ترجيهاً اکسايش آب صورت مي گيرد:
۲H۲O → O۲(g) + ۴H+ + ۴e
يعني در آند ، توليد گاز اکسيژن مشاهده مي شود و محلول پيرامون اين قطب ، اسيدي مي شود. بطور کلي هرگاه اکسايش آنيون ماده حل شده مشکل باشد، آب در آند اکسيد مي شود. در الکتروليز محلول آبي NaCl ، در آند ، يونهاي -Cl اکسيد مي شوند و گاز Cl۲ آزاد مي کنند و در کاتد ، احياي آب صورت مي گيرد. اين فرآيند ، منبع صنعتي براي گاز هيدروژن ، گاز کلر و سديم هيدروکسيد است:
۲H۲O + ۲Na+ + ۲Cl- → H۲(g) + ۲OH- + ۲Na+ + Cl۲
● سلولهاي ولتايي
سلولي که به عنوان منبع انرژي الکتريکي بکار مي رود، يک سلول ولتايي يا يک سلول گالواني ناميده مي شود که از نام “آلساندرو ولتا” (۱۸۰۰) و “لوئيجي گالواني” (۱۷۸۰) ، نخستين کساني که تبديل انرژي شيميايي به انرژي الکتريکي را مورد آزمايش قرار دادند، گرفته شده است. واکنش بين فلز روي و يونهاي مس II در يک محلول ، نمايانگر تغييري خود به خود است که در جريان آن ، الکترون منتقل مي شود.
(Zn(s) + Cu۲+(aq) → Zn۲+(aq) + Cu(s
مکانيسم دقيقي که بر اساس آن انتقال الکترون صورت گيرد، شناخته نشده است. ولي مي دانيم که در آند ، فلز روي اکسيد مي شود و در کاتد ، يونهاي Cu+۲ احيا مي شود و به ترتيب يونهاي Zn+۲ و فلز Cu حاصل مي شود و الکترونها از الکترود روي به الکترود مس که با يک سيم به هم متصل شده اند، جاري مي شوند، يعني از آند به کاتد.
Zn(s) → Zn۲+(aq) + ۲e
(Cu۲+(aq)+۲e → Cu(s
نيم سلول سمت چپ يا آند ، شامل الکترودي از فلز روي و محلول ZnSO۴ و نيم سلول سمت راست يا کاتد ، شامل الکترودي از فلز مس در يک محلول CuSO۴ است. اين دو نيم سلول ، توسط يک ديواره متخلخل از هم جدا شده اند. اين ديواره از اختلال مکانيکي محلولها ممانعت مي کند، ولي يونها تحت تاثير جريان الکتريسيته از آن عبور مي کنند. اين نوع سلول الکتريکي ، سلول دانيل ناميده مي شود.
● نيروي محرکه الکتريکي
اگر در يک سلول دانيل ، محلولهاي ۱M از ZnSO۴ و ۱M از CuSO۴ بکار رفته باشد، آن سلول را با نماد گذاري زير نشان مي دهيم:
(Zn(s) │ Zn۲+(۱M) │ Cu۲+(۱M) │ Cu(s
که در آن خطوط کوتاه عمودي ، حدود فازها را نشان مي دهند. بنابر قرارداد ، ماده تشکيل دهنده آند را اول و ماده تشکيل دهنده کاتد را در آخر مي نويسيم و مواد ديگر را به ترتيبي که از طرف آند به کاتد با آنها برخورد مي کنيم، ميان آنها قرار مي دهيم. جريان الکتريکي توليد شده در يک سلول ولتايي ، نتيجه نيروي محرکه الکتريکي (emf) سلول است که برحسب ولت اندازه گيري مي شود.
هر چه تمايل وقوع واکنش سلول بيشتر باشد، نيوري محرکه الکتريکي آن بيشتر خواهد بود. اما emf يک سلول معين به دما و غلظت موادي که در آن بکار رفته است، بستگي دارد. emf استاندارد، ۷۳۰ مربوط به نيروي محرکه سلولي است که در آن تمام واکنش دهنده ها و محصولات واکنش در حالت استاندارد خود باشند. مقادير معمولا براي اندازه گيري هايي که در ۲۵C به عمل آمده است،معين شده است.

ذره بنيادي پايداري با بار الکتريکي منفي ۱.۶۰۲X۱۰ ۱۹ کولن و جرم در حال سکون ۹.۱۰۹X۱۰ ۳۱ کيلوگرم. الکترونها در همه اتمها حضور دارند و در لايه هاي خاصي ب ...

● خواص ترکيبات آلي فلزي شباهت ترکيبات آلي فلزي از نظر خواص فيزيکي به ترکيبات آلي در مقايسه با ترکيبات معدني بيشتر است. بسياري از اين ترکيبات داراي ساخ ...

● ريشه لغوي ژئوشيمي از دو کلمه Geo به معني زمين و chemi stry به معني شيمي تشکيل شده است. ● ديد کلي در ساده ترين شکل ژئوشيمي را مي توان به عنوان علمي ت ...

● علم شيمي شاخه اي از علوم تجربي است که از يک سو درباره شناخت خواص ، ساختار و ارتباط بين خواص و ساختار مواد و قوانين مربوط به آنها بحث مي کند. از سوي ...

اغلب مشاهده شده که نيروي الکترومغناطيسي باعث ايجادساختار(منظم)شده يعني اتمهاوملکولهاوجامدات کريستالي راتثبيت مي نمايد. درحقيقت نتايج (اثرات)نيروي مغنا ...

● ديد کلي تعداد مسائلي که در مکانيک کوانتومي ، مي تواند به طور دقيق حل شود ، همانند مکانيک کلاسيک خيلي محدود مي باشد. در بسياري از موارد کاربردي مورد ...

جهان امروز بر خلاف دنياي ديروز که تمام توجهش به صنايعي چون نفت و انرژي بود، به سمت فن آوري اطلاعات، مواد جديد، بيوتکنولوژي، نانوتکنولوژي و الکترونيک گ ...

اگر ما منبع نور را ذره اي يا گسترده در نظر بگيريم در اصل هر دو يک گونه نور را ساطع مي کنند(يعني منبع ذره اي هم به علت نسبت فاصله ناظر تا منبع و اندازه ...

دانلود نسخه PDF - الکترو شيمي