Hygiene general chem1
Download
Report
Transcript Hygiene general chem1
شيمي عمومی
روشها و واحدهای بیان غلظت
روشها و واحدهای بیان غلظت
روشهای متعددی برای بیان غلظت وجود دارد
-1موالریته یا غلظت موالر :تعداد مولهای ماده حل شده در
یک لیتر محلول یا تعداد میلی مولهای ماده حل شده در یک
میلی لیتر محلول را گویند
واحدهای موالریته mol/l :و mmol/ml
نماد موالریتهM :
-2مواللیته یا غلظت موالل :تعداد مولهای ماده حل شده در
1000گرم حالل و یا تعداد میلی مولهای ماده حل شده در یک گرم
حالل را گویند
واحدهای مواللیته mol/kg :و mmol/g
-3نرمالیته یا غلظت نرمال :تعداد اکی واالن های ماده حل شده در
یک لیتر محلول و یا تعداد میلی اکی واالن های ماده حل شده در
یک میلی لیتر محلول را گویند
واحدهای موالریته eq/l :و meq/ml
نماد نرمالیتهN :
Eqg=g/EqW
=EqW=MW/nوزنی از ماده که متناسب با یک عامل واکنش
دهنده باشد
= nظرفیت = تعداد عوامل واکنش دهنده مولکول
EqW=49
MW H2SO4=98 n=2
ظرفیت مولکول ممکن است در واکنشهای مختلف متفاوت باشد
مثالظرفیت H3PO4می تواند 2 ،1یا 3باشد.
وزن اکی واالن یک ماده بستگی به واکنشی دارد که ماده در آن
شرکت کرده است .پس تعریف وزن اکی واالنی برای یک ماده
همواره مبتنی بر چگونگی رفتار آن ماده در واکنش شیمیایی
ویژه است .چنانچه نوع واکنش دقیقا مشخص نباشد ارزیابی وزن
اکی واالنی غیر ممکن خواهد بود و بدون در اختیار داشتن این
اطالعات نمیتوان غلظت محلولی را بر حسب نرمالیته بیان
کرد .با توجه به نوع واکنشی که یک ماده میتواند در آن شرکت
کند میتوان وزن اکی واالن آنرا تعیین کرد.
برای یک اسید چند عاملی که دارای دو یا چند هیدروژن با
تمایالت متفاوت برای تفکیک شدن است تعیین اکی واالن
دشوارتر است .بعنوان مثال در تیتراسیون اسید فسفریک ،در
تیتراسیون اول که اسید یک پروتون از دست میدهد وزن اکی
واالن اسید فسفریک برابر وزن مولکولی آن است در حالیکه در
تیتراسیون دوم وزن اکی واالن نصف وزن مولکولی است.
تیتراسیون پروتون سوم اسید فسفریک جنبه کاربردی ندارد.
بدون آگاهی از اینکه کدام یک از مراحل تیتراسیون در واکنش
درگیر است ،تعیین وزن اکی واالن اسید فسفریک غیر ممکن
خواهد بود.
وزن اکی واالن گرم در واکنشهای اکسیداسیون احیا عبارت است از وزنی
که بطور مستقیم یا غیر مستقیم یک مول الکترون تولید یا مصرف
میکند .بنابراین وزن اکی واالن هر مادهای که در واکنش اکسیداسیون -
احیا شرکت کرده است از تقسیم کردن وزن مولکولی آن بر تغییر عدد
اکسیداسیون آن ماده بدست میآید.
وزن اکی واالن برای یک نمک یا یک ماده شرکت کننده در یک واکنش
رسوبی یا تشکیل کمپلکس برابر وزنی از ماده است که در صورت یک
ظرفیتی بودن کاتیون یک مولکول گرم و در صورت دو ظرفیتی بودن نصف
مولکول گرم و … کاتیون تولید یا مصرف نماید.
-4غلظت درصدی
الف -وزنی – وزنی :وزن ماده حل شده به وزن محلول ضربدر 100را گویند
واحدهای وزنی – وزنی %kg/kg :و %gr/gr
نماد وزنی – وزنی%W/W :
ب -وزنی – حجمی :وزن ماده حل شده به حجم محلول ضربدر 100را گویند
واحدهای وزنی – حجمی %kg/l :و %g/ml
نماد وزنی – حجمی%W/V :
ج -حجمی – حجمی :حجمی ماده حل شده به حجم محلول ضربدر 100را گویند
واحدهای حجمی – حجمی %l/l :و %ml/ml
نماد حجمی – حجمی%V/V :
-5قسمت وزنی:
الف( ppt -قسمت در هزار) :یک قسمت از ماده حل شده
در هزار قسمت محلول یا مخلوط را گویند.
)(X g /1000 g
ب( ppm -قسمت در میلیون) :یک قسمت از ماده حل
شده در یک میلیون قسمت محلول یا مخلوط را گویند
ج( ppb -قسمت در بیلیون) :یک قسمت از ماده حل شده
در یک بیلیون قسمت محلول یا مخلوط را گویند
( ppmقسمت در میلیون) :یک قسمت از ماده حل
شده در یک میلیون قسمت محلول یا مخلوط را گویند.
)(X g/1000.000 g) =(X mg/1000 g) =(X mg/1kg
در محلولهای رقیق آبکی )d=1 (Kg=L
ppm= X mg/L
برای تهیه 500 mlمحلول 0.1M HClچند میلی لیتر از محلول
غلیظ HClبا مشخصات زیر الزم است؟ 4.14
MW=36.5 %W/W=37 d=1.19
500 mlاز محلول غلیظ HClبا مشخصات زیر چند موالر
است12.06 .
MW=36.5 %W/W=37 d=1.19
محلول غلیظ HClبا مشخصات زیر در اختیار است.
MW=36.5 %W/W=37 d=1.19
غلظت این محلول برحسب موالریته چقدر است؟ -غلظت این محلول برحسب مواللیته چقدر است؟
-غلظت این محلول برحسب %W/Vچقدر است؟
10 mlاز محلول غلیظ HClبا مشخصات زیر به حجم 2لیتررسیده استMW=36.5 %W/W=37 d=1.19 .
موالریته محلول حاصله چقدر است.اگر 1 mlاز محلول حاصله تا حجم یک لیتر رقیق شود،غلظتآن بر حسب ppmچقدر می شود.
100 mlاز محلول 0.1 M HClدر اختیار داریم.pHاین محلول چقدر است.چند میلی لیتر آب به آن اضافه شود تا pHمحلول حاصله برابر 1.2گردد.
100 mlاز محلول (Ka=1×10-5) 0.1 M CH3COOHدراختیار داریم.
pHاین محلول چقدر استچند میلی لیتر آب به آن اضافه شود تا pHمحلول حاصله برابر 4.1گردد.
برای تهیه 500 mlمحلول 0.1M NaOHچند میلی گرم از سود
زیر الزم است؟ 2222
MW=40 %W/W=90
500 mlاز محلول غلیظ H2SO4با مشخصات زیر چند نرمال
است36.80 .
MW=98 %W/W=98 d=1.84
برای استاندارد کردن محلول سود 0.5موالر تقریبا چند میلی گرم
) KHP(MW=204را توزین می کنید؟
آن را در چه حجمی از حالل حل می کنید؟
معرف مناسب در این آزمایش را از داده های کتاب محاسبه کنید.
آیا از معرف متیل رد در این آزمایش می توان استفاده کرد؟چرا؟
برای تهیه 500 mlمحلول 0.1M H2SO4چند میلی لیتر
از محلول غلیظ H2SO4با مشخصات زیر الزم است؟
2.72
MW=98 %W/W=98 d=1.84
برای تهیه 500 mlمحلول 0.1N H2SO4چند میلی لیتر
از محلول غلیظ H2SO4با مشخصات زیر الزم است؟
1.36
MW=98 %W/W=98 d=1.84
یک لیتر آب ،به 50 gاسید سولفوریک غلیظ با مشخصات زیراضافه شده استMW=98 %W/W=98 d=1.84.
%W/Wمحلول حاصله چقدر است؟
%W/Vمحلول حاصله چقدر است؟
یک لیتر اسید سولفوریک 0.2 Mبا آب به حجم 5لیتر رسییدهاست.نرمالیته محلول حاصل چقدر است؟
مقداری سود به آب اضافه شده است.دانسیته محلول حاصل برابر
1.05می باشد.اگر افزودن سود به آب ،باعث تغییر حجم
نشود،مواللیته این محلول جقدر است؟
، %W/V -محلول 1 Mسود ،چقدر می باشد؟
اسید کلریدریک 36.5% W/Wبا دانسیته 1.19
تعادل شیمیایی
استوکیومتری
تعادل شیمیایی
ی
روشهای استوکیومتر
در یک واکنش شیمیایی مقدار واکنشگر شیمیایی الزم از یک گونه برای
انجام کامل واکنش با گونه دیگر را معادل شیمیایی آن گونه و یا
استوکیومتری واکنش گویند.
ً
استوکیومتری و یا معادل شیمیایی دو واکنشگر نسبت به هم عموما بر
حسب مول بیان می شود
مثال:
H2CO3 + 2NaOH Na2CO3 + 2H2O
استوکیومتری NaOHبه 2 H2CO3به 1است
حل مسئله به روش استوکیومتری
اساس
g1 ==mol1==mol2==g2
-1ابتدا معلومات و مجهوالت مسئله را تعیین می کنند
-2از گونه معلوم شروع کرده و آنرا به مول و یا میلی مول
معلوم تبدیل می کنند
-3از روی استوکیومتری واکنش مول گونه معلوم را به مول
گونه مجهول تبدیل می کنند
-4از مول گونه مجهول کمیت مورد نظر برای گونه مجهول
را بدست میاورند
:مثال
Na2CO3 گرم از2.33 برای تبدیلAgNO3 چند گرم از:مسئله
. مورد نیاز محاسبه کنیدAg2CO3 به
2AgNO3 + Na2CO3 Ag2CO3 + 2NaNO3
Mw (AgNO3)=170 gr/mol
Mw (Na2CO3)=106 gr/mol
Mw (Ag2CO3)=276 gr/mol
Na2CO3 گرم2.33 : معلومات مسئله-1
AgNO3 گرم مورد نیاز از:مجهوالت مسئله
تبدیل می کنندNa2CO3 را به مولNa2CO3 گرم2.33 -2
? grAgNO
3
2 . 33 grNa
2 CO 3
1 molNa
106 grNa
2 CO 3
( A ) molNa
2 CO 3
2 CO 3
می باشد2 به1 AgNO3 بهNa2CO3 نسبت استوکیومتری-3
? grAgNO
3
( A ) molNa
2 CO
3
2 molAgNO
1 molNa
2 CO
3
3
( B ) molAgNO
3
AgNO3برای
? grAgNO
3
کمیت مورد نظر گرم را
( B ) molAgNO
3
170 grAgNO
1 molAgNO
3
3
AgNO3مول
از-4
بدست می آورند
7 . 47 grAgNO
3
تعادالت
انواع ثابت تعادل
1ـ ثابت تفكیك یا ناپایداري
الف -ثابت تفکیک اسیدی
ب -ثابت تفکیک بازی
ي)
2ـ ثابت تشكيل (ثابت تجمع يا پايدار
تقسیم بندی ثابت تعادل به مرحله ای و کلی
-1ثابت تشكيل و یا تفکیک مرحله ای
-2ثابت تشكيل و یا تفکیک کلی
توضیح انواع ثابت تعادل
1ـ ثابت تفكيك يا ناپايداري
اگر مواد یا گونه ها از هم تفکیک گردند ثابت تعادل بنام
ثابت تفكيك يا ناپايداري نامیده می شود
AlF63- Al3+ + 6F 6
] ][ F
]
3
6
3
[ Al
[ AlF
kd
الف -ثابت تفکیک در مورد اسیدها
ثابت اسیدی
نسبت محصوالت حاصل از تفکیک اسید به مواد
اولیه(اسید) را ثابت اسیدی گویند و با kacidو یا به
اختصار با kaنمایش می دهند
HA H+ + A
] [ H ][ A
HA
ka
ب -ثابت تفکیک در مورد بازها
ثابت بازی
نسبت محصوالت حاصل از تفکیک باز به مواد
اولیه(باز) را ثابت بازی گویند و با kbaseو یا به
اختصار با kbنمایش می دهند
BOH B+ + OH]
[ B ][ OH
BOH
kb
ي)
2ـ ثابت تشكيل (ثابت تجمع يا پايدار
اگر واکنشگرها باهم ترکیب شده و محصول را تشکیل دهند
ي)
ثابت تعادل بنام ثابت تشكيل (یا ثابت تجمع يا ثابت پايدار
نامیده می شود
Mn+ + Y4- MY(n-4)+
]
]
(n 4 )
4
][ Y
[ MY
n
[M
kf
k a or
تقسیم بندی ثابت تعادل به مرحله ای و کلی
-1ثابتهای تفکیک و یا تشکیل مرحله ای
اگراسیدها ،بازها ویا گونه های دیگر در چندین مرحله تفکیک و
یا تشکیل گردند میتوان برای آنها ثابتهای تفکیک و یا تشکیل
مرحله ای نوشت.
مرحله3 درH3PO4 تفکیک اسید فسفریک:مثال
H3PO4 H+ + H2PO4 -
ka1 or k1
H2PO4 - H+ + HPO4 2- ka2 or k1
HPO4 2- H+ + PO4 3-
ka3 or k3
ثابت تفکیک مرحله ای اول اسید فسفریک
H3PO4 H+ + H2PO4 -
k1
[ H ][ H 2 PO
[ H 3 PO 4 ]
4
]
ثابت تفکیک مرحله ای دوم اسید فسفریک
]
2
]
4
[ H ][ HPO
4
[ H 2 PO
k2
2-
+ HPO4
H+
H2PO4
-
ثابت تفکیک مرحله ای سوم اسید فسفریک
]
3
]
4
2
[ H ][ PO
4
[ HPO
k3
3-
+ PO4
H+
HPO4
2-
-2ثابتهای تفکیک و یا تشکیل کلی
اگراسیدها ،بازها ویا گونه های دیگر در چندین مرحله تفکیک و یا
تشکیل گردند همچنین میتوان برای آنها ثابتهای تفکیک و یا تشکیل
کلی نوشت .
مثال :ثابتهای کلی تفکیک اسید فسفریک
1=k1
H3PO4 H+ + H2PO4 -
2=k1 k2
H3PO4 2H+ + HPO4 2-
3=k1 k2 k3
H3PO4 3H+ + PO4 3-
ثابت تفکیک کلی اول اسید فسفریک
1=k1
]
H3PO4 H+ + H2PO4 -
4
[ H ][ H 2 PO
] [ H 3 PO 4
1
ثابت تفکیک کلی دوم اسید فسفریک
2=k1 k2
]
2
2
4
[ H ] [ HPO
] [ H 3 PO 4
2
H3PO4 2H+ + HPO4 2-
ثابت تفکیک کلی سوم اسید فسفریک
H3PO4 3H+ + PO4 33=k1 k2 k3
]
3
3
4
[ H ] [ PO
] [ H 3 PO 4
3
کاربرد ثابتهای تعادل
از روی ثابتهای تعادل میتوان غلظت تعادلی گونه های موجود در
محلول را بدست آورد.
مسئله :غلظت H+موجود در یك محلول آبي 0.01موالر اسید
فرمیک) (HAرا محاسبه كنید
ka =1.77 10-4
معادله شیمیایی برای تفکیک اسید فرمیک عبارتست از
HA H+ + A-
HA H+ + A kaبرای این واکنش باال از معادله زیر به دست می آید
4
1 . 77 10
] [ H ][ A
HA
ka
غلظت اسید فرمیک 0.01موالر پیش از تفکیک است و به
ازای هر مول اسید فرمیک تفکیک شده ،یک مول H+و یک
مول A-تولید می گردد در نتیجه[H+] = [A-] :
HA H+ + A0.01M-x
x
x
ka
[ H ][ A ]
HA C HA
1 . 77 10
4
[H ]
[ H ][ H ]
HA 0 . 01 [ H ]
[ H ].[ H ]
0 . 01 [ H ]
معادله درجه دوم
[H+]2 + 1.77 10-4 [H+] - 1.77 10-6 =0
[H+]2 + 1.77 10-4 [H+] - 1.77 10-6 =0
حل معادله درجه دوم
[H+] = 1.25 10-3 M
and
[H+] = -1.43 10-3 M
[H+] = 1.25 10-3
در واکنشهای تفکیک(مثل تفکیک اسیدها ،بازها و )...اگر
كوچك و غلظت واكنشدهنده (غلظت اولیه) بزرگ باشد از تفكیك
اسید یا باز ضعیف صرفنظر ميكنند.
kd
تفکیک اسیدها
HA +H2O H3O+ + A-
if kd < (1/100) CHA CHA - [H+] = CHA
تفکیک بازها
A- +H2O OH- + HA
if kd < (1/100) CA- CA- - [OH-] = CA-
مسئله :غلظت استات A-را در یک را در محلول آبي اسید
استیک HAمحاسبه كنید.
ka =1.8 10-5
معادله شیمیایی برای تفکیک اسید استیک عبارتست از
HA H+ + A kaبرای واکنش باال از معادله زیر به دست می آید
5
1 . 8 10
] [ H ][ A
HA
ka
غلظت اسید استیک 0.1موالر پیش از تفکیک است و به ازای
هر مول اسید استیک تفکیک شده ،یک مول H+و یک مول A-
تولید می گردد در نتیجه[H+] = [A-] :
HA H+ + A-
x
] [ H ][ H
]
HA 0 . 1 [ H
] 0 .1 [ H
] [ H ][ A
] [H
] [ H ].[ H
x
0.1M-x
5
1 . 8 10
HA C HA
ka
تقریب
صرفنظر نمودن از غلظت ][A-و یا ] [H+در برابر غلظت
اولیه اسید (CHA) HAوقتی صحیح است که:
kd < (1/100) CHA
ka < (1/100) CHA
1.8 10-5 < (1/100) 0.1
1.8 10-5 < 10-3
در نتیجه
[HA]=CHA
حل معادله تقریب خورده
1.8 10-5 0.01= [H+]2
[H+]2 = 1.8 10-6
[H+] = 1.3 10-3
مزایای اعمال تقریب :حل آسان مسئله
pHمحلول 0.1Mاسید فسفریک را محاسبه کنید.
Ka1=1*10-2
Ka2=1*10-7
Ka3=1*10-12
تفكيك آب
بیشترین کاربرد آب در تجزیه:
ً
آب اکثرا بعنوان حالل بکار می رود تفکیک آب میتواند بر روی روی غلظتهای تعادلی تاثیربگذارد
آب بعنوان آمفوتر میتواند از یک مولکول دیگر خودپروتون بگیرد و یا به آن پروتون بدهد
تفكيك یا هیدرولیز آب
H2O + H2O H3O+ + OH- or
H3O+یا H+یون هیدرونیوم
H2O H+ + OH-
ثابت تفكيك یا هیدرولیز آب
H2O H+ + OH 16
1 . 82 10
]
[ H ][ OH
] [H 2O
kd
= 1 gr/mlچگالي آب
= 18 gr/molجرم مولکولی آب
18gr = 1mol
= [H2O]=55.6 mol/lغلظت مولي آب
[H2O]=55.6 mol/l
] kw = kd [H2O] = [H+][OH-] kw = [H+][OH-
اسامی مختلف kw
ّ
ثابت حاصلضرب یونی آبّ
حاصلضرب ّیونی آب ثابت یونش آب kwوابسته به دما هست و در 25 oCبرابر با 10-14هست
عوامل موثر بر ثابت تعادل
1ـ تغيیرات فشار
2ـ تغيیرات دما
-3تغيیر غلظت
توضیح عوامل موثر بر ثابت تعادل:
اثر تغییر شرایط محیط بر یک تعادل شیمیایی با اصل لوشاتليه قابل
پيشگويي است.
-1تغيیر غلظت
تغيیر غلظت واكنش دهندهها و يا محصوالت ميتواند بر غلظت تعادلي
گونهها تأثیر بگذارد .اگر يكي از محصوالت رسوب باشد واكنش به سمت
كامل شدن پيش ميرود.
2ـ تغيیرات دما
در صورتي تأثیرگذار هست كه طي واكنش گرما جذب
(گرماگیر) و یا گرما آزاد(گرمازا) شود.
گرمازا
↑A + B C + D + Q
افزایش گرما كاهش محصوالت غلظت تعادلي
محصوالت كم شده و مواد اولیه زیاد میشود و ثابت تعادل کم می
شود
گرمازا
↑A + B C + D + Q
کاهش گرما افزایش محصوالت غلظت تعادلي محصوالت زیاد
شده و غلظت تعادلي مواد اولیه کم میشود و ثابت تعادل بزرگ می
شود
به د الیلفوق ثابت تعادل در دماي بخصوص گزارش ميگردد
دما سرعت رسيدن واكنش به تعادل را كاهش ميدهد.
كاتالیزورها
كاتالیزورها سرعت واكنش شيميايي را افزايش ميدهند ،زمان
رسيدن به تعادل كم ميشود.
كاتالیزورها ثابت تعادل را تغيیر نميدهند
3ـ تغيیرات فشار
در صورتي بر تعادل تأثیر ميگذارد كه يكي از مواد گازي شکل
باشد.
مثال
)H2CO3(aq) CO2(g) + H2O(l
اسیدها ،بازها
اسیدها ،بازها و بافرها
انواع تعاریف مختلف اسيدها و بازها
-1تعريف آرنیوس
-2تعريف برونستدولوري
-3تعريف لوئيس
-1تعريف آرنیوس
الف -اسیدهای آرنیوس :اسيدهادر آب ،تفكيك شده توليد پروتون ميكنند
ب -بازهای آرنیوس :بازها در آب ،تفكيك شده توليد هيدروكسيد ميكنند
اسید:
باز:
اشکال تعریف :کلی نیست
مثال:
HCl H+ + ClNaOH Na+ + OH-
HCl + NH3 NH4+ + Cl-
-2تعريف برونستدولوري
الف -اسیدهای برونستدولوري :اسيدها پروتون از دست ميدهند.
ب -بازهای برونستدولوري :بازها پروتون ميگیرند.
اسید و باز
HCl + NH3 NH4+ + Cl-
اشکال تعریف :کلی تر از تعريف آرنیوس ولی باز هم ناقص است
مثال:
Cl3B + :NH3 Cl3B:NH3
-3تعريف لوئيس
الف -اسیدهای لوئيس :اسيدها در واکنشها زوج الكترون
ميپذيرند.
ب -بازهای لوئيس :بازهای لوئيس زوج الكترون غیر
مشترك خود را به اشتراك ميگذارد
مثال:
تعریف :کلی تر و جامع
Cl3B + :NH3 Cl3B:NH3
معیار قدرت اسيدي و بازی
قدرت اسيدي:
میزان تفكيك قدرت اسيدي را تعيین ميكند (نه غلظت)
HA +H2O H3O+ + Aهر چقدر تفكيك بيشتر ،غلظت H+زياد شده و اسید قويتر است
قدرت بازي:
میزان تفكيك قدرت بازي را تعيین ميكند .
B- +H2O BH + OH-
هر چقدر تفكیك بیشتر ،غلظت OH-زیاد شده
باز قويتر است
-logX = pX
pH + pOH = pkw
تقسیم بندی انواع محلول برحسب قدرت اسیدی و بازی
محلول خنثي :غلظت ][H+و ][OH-برابرست.
[H+] =[OH-] pH=7
محلول اسيدي :غلظت ][H+بزرگتر از غلظت ] [OH-است
]pH<7 [H+] >[OH-
ي :غلظت ][H+کوچکتر از غلظت ] [OH-است
محلول باز
]pH>7 [H+] <[OH-
[H+] ×[OH-] =Kw=1×10
Electric power conversion in electrochemistry
Electrolysis / Power
consumption
Electric
Power
Chemical
Reactions
Electrochemical battery / Power
generation
65
Molten NaCl
At the microscopic level
e
-
battery
+
NaCl (l)
cations
anions
+
Na
migrate
migrate
+
ClNa
toward
toward
e
C
(-)
(+)
(-)
(+)lelectrode
electrode
+
anode
cathode
C Na
- Cl 66
+
2Cl
l
Na + e Na
2 + 2e
-
Aqueous NaCl
+
battery
e
power
source
e
-
-
NaCl (aq)
What could be
reduced at the
cathode?
cathode
different
half-cell
Na+
C
(-) l(+)
H2O
anod
e Cl2 67+ 2e
2Cl-
P g 901
C ourtesy Intern ational S ilver
P lating, Inc.
68
What about halfcell reactions?
+
cathode half-cell
Cu+2 + 2e- Cu
Cu
plates
out or
deposits
on
What about the
sign of the
electrodes?
- Why?
anode half-cell
Zn Zn+2 + 2e
What
happened
Cu
Zn
at each
electrode
1.0 M CuSO4
1.0 M ZnSO4
?
Zn
electrode
erodes
or
dissolves
69
تمام واکنشهای شیمیایی ،اساسا ماهیت الکتریکی دارند ،زیرا الکترونها
در تمام انواع پیوندهای شیمیایی( به راههای گوناگو ن) دخالت دارند.
اما الکتروشیمی بیش از هر چیز بررس ی پدیدههای اکسایش -کاهش
است .روابط بین تغییر شیمیایی و انرژی الکتریکی ،هم از لحاظ نظری و
هم از لحاظ عملی حائز اهمیت است.
از واکنشهای شیمیایی میتوان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد
(در سلولهایی که سلولهای ولتایی یا سلولهای گالوانی نامیده میشوند)
و انرژی الکتریکی را میتوان برای تبادالت شیمیایی بکار برد (در سلولهای
الکترولیتی) .عالوه بر این ،مطالعه فرآیندهایی الکتروشیمیایی منجر به
خارج از
فهم و تنظیم قواعد آنگونه از پدیدههای اکسایش -کاهش که
اینگونه سلولها روی میدهند ،نیز میشود .با برخی فرآیندهای
تمام واکنشهای شیمیایی ،اساسا ماهیت الکتریکی دارند ،زیرا الکترونها
در تمام انواع پیوندهای شیمیایی( به راههای گوناگو ن) دخالت دارند.
اما الکتروشیمی بیش از هر چیز بررس ی پدیدههای اکسایش -کاهش
است .روابط بین تغییر شیمیایی و انرژی الکتریکی ،هم از لحاظ نظری و
هم از لحاظ عملی حائز اهمیت است.
از واکنشهای شیمیایی میتوان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد
(در سلولهایی که سلولهای ولتایی یا سلولهای گالوانی نامیده میشوند)
و انرژی الکتریکی را میتوان برای تبادالت شیمیایی بکار برد (در سلولهای
الکترولیتی) .عالوه بر این ،مطالعه فرآیندهایی الکتروشیمیایی منجر به
خارج از
فهم و تنظیم قواعد آنگونه از پدیدههای اکسایش -کاهش که
اینگونه سلولها روی میدهند ،نیز میشود .با برخی فرآیندهای
رسانش الکترولیتی
رسانش الکترولیت ،هنگامی صورت میگیرد که یونهای الکترولیت
بتوانند آزادانه حرکت کنند ،چون در این مورد ،یونها هستند که بار
الکتریکی را حمل میکنند .به همین دلیل است که رسانش الکترولیتی ،
اساس توسط نمکهای مذاب و محلولهای آبی الکترولیتها صورت
میگیرد .عالوه بر این ،برای تداوم جریان در یک رسانای الکترولیتی الزم
است که حرکت یونها با تغییر شیمیایی همراه باشد .منبع جریان در یک
سلول الکترولیتی ،الکترونها را به الکترود سمت چپ میراند. ε=IR
بنابراین میتوان گفت که این الکترود ،بار منفی پیدا میکند .این
الکترونها از الکترود مثبت سمت راست کشیده میشوند .در میدان
الکتریکی که بدین ترتیب بوجود میآید ،یونهای مثبت یا کاتیونها به
طرف قطب منفی یا کاتد و یونهای منفی یا آنیونها به طرف قطب مثبت
یا آند جذب میشوند .در رسانش الکترولیتی ،بار الکتریکی بوسیله
کاتیونها به طرف کاتد و بوسیله آنیونها که در جهت عکس به طرف آند
حرکت میکنند ،حمل میشود.
برای این که یک مدار کامل حاصل شود ،حرکت یونها باید با واکنشهای
الکترودی همراه باشد .در کاتد ،اجزای شیمیایی معینی (که الزم نیست
حتما حامل بار باشند) باید الکترونها را بپذیرند و کاهیده شوند و در آند
،الکترونها باید از اجزای شیمیایی معینی جدا شده ،در نتیجه آن ،
الکترولیز (برقکافت )
یا برقکافت سدیم کلرید مذاب ،یک منبع صنعتی تهیه فلز الکترولیز
است .روشهای مشابهی برای تهیه دیگر فلزات فعال ،و گاز کلر سدیم
بکار میروند .اما چنانکه بعض ی از محلولهای آبی و کلسیم مانند پتاسیم
را برقکافت کنیم ،آب به جای یونهای حاصل از ماده حل شده در
واکنشهای الکترودی دخالت میکند .از اینرو ،یونهای حامل جریان
لزوما بار خود را در الکترودها خالی نمیکنند .مثال در برقکافت محلول
آبی سدیم سولفات ،یونهای سدیم به طرف کاتد و یونهای سولفات به
طرف آند حرکت میکنند ،اما بار این هر دو یون با اشکال تخلیه
.میشود
بیاثر در جریان بدین معنی که وقتی عمل برقکافت بین دو الکترود
(2H2O + 2e → 2OH- + H2(g
یعنی در کاتد ،کاهش صورت میگیرد ،ولی به جای کاهش سدیم ،آب
کاهیده میشود .بطور کلی ،هرگاه کاهش کاتیون ماده حل شده مشکل
باشد ،کاهش آب صورت میگیرد .اکسایش در آند صورت میگیرد و در
برقکافت محلول آبی ، Na2SO4آنیونها ) (2-SO4که به طرف آند
مهاجرت میکنند ،بهسختی اکسید میشوند:
2SO42- → S2O42- + 2e
ً
بنابراین ترجیها اکسایش آب صورت میگیرد:
2H2O → O2(g) + 4H+ + 4e
یعنی در آند ،تولید گاز اکسیژن مشاهده میشود و محلول پیرامون این
قطب ،اسیدی میشود .بطور کلی هرگاه اکسایش آنیون ماده حل شده
مشکل باشد ،آب در آند اکسید میشود .در الکترولیز محلول آبی
،NaClدر آند ،یونهای -Clاکسید میشوند و گاز Cl2آزاد میکنند
و در کاتد ،احیای آب صورت میگیرد .این فرآیند ،منبع صنعتی برای
گاز هیدروژن ،گاز کلر و سدیم هیدروکسید است:
2H2O + 2Na+ + 2Cl- → H2(g) + 2OH- + 2Na+ +
Cl2
سلولهای ولتایی
سلولی که بهعنوان منبع انرژی الکتریکی بکار میرود ،یک سلول ولتایی
یا یک سلول گالوانی نامیده میشود که از نام" آلساندرو ولتا "
)(1800و" لوئیجی گالوانی ) ،" (1780نخستین کسانی که تبدیل
انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی را مورد آزمایش قرار دادند ،گرفته
شده است .واکنش بین فلز روی و یونهای مس IIدر یک محلول ،
نمایانگر تغییری خود به خود است که در جریان آن ،الکترون منتقل
میشود.
(Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s
مکانیسم دقیقی که بر اساس آن انتقال الکترون صورت گیرد،
شناخته نشده است .ولی میدانیم که در آند ،فلز روی اکسید میشود و
در کاتد ،یونهای Cu+2احیا می شود و به ترتیب یونهای Zn+2و فلز
Cuحاصل میشود و الکترونها از الکترود روی به الکترود مس که با
یک سیم به هم متصل شدهاند ،جاری میشوند ،یعنی از آند به کاتد.
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e
(Cu2+(aq)+2e → Cu(s
نیم سلول سمت چپ یا آند ،شامل الکترودی از فلز روی و محلول
فلز
ZnSO4و نیم سلول سمت راست یا کاتد ،شامل الکترودی از
مس در یک محلول CuSO4است .این دو نیم سلول ،توسط یک
دیواره متخلخل از هم جدا شدهاند .این دیواره از اختالل مکانیکی
محلولها ممانعت میکند ،ولی یونها تحت تاثیر جریان الکتریسیته از آن
عبور میکنند .این نوع سلول الکتریکی ،سلول دانیل نامیده میشود .
نیروی محرکه الکتریکی
اگر در یک سلول دانیل ،محلولهای M 1از ZnSO4و M 1از
CuSO4بکار رفته باشد ،آن سلول را با نماد گذاری زیر نشان
میدهیم:
(Zn(s) │ Zn2+(1M) │ Cu2+(1M) │ Cu(s
که در آن خطوط کوتاه عمودی ،حدود فازها را نشان میدهند .بنابر
قرارداد ،ماده تشکیل دهنده آند را اول و ماده تشکیل دهنده کاتد را در
آخر مینویسیم و مواد دیگر را به ترتیبی که از طرف آند به کاتد با آنها
برخورد میکنیم ،میان آنها قرار میدهیم .جریان الکتریکی تولید شده در
یک سلول ولتایی ،نتیجه نیروی محرکه الکتریکی ) (emfسلول است
که برحسب ولت اندازه گیری میشود.
هر چه تمایل وقوع واکنش سلول بیشتر باشد ،نیوری محرکه الکتریکی
آن بیشتر خواهد بود .اما emfیک سلول معین به دما و غلظت موادی
که در آن بکار رفته است ،بستگی دارد . emfاستاندارد ،˚ε ،مربوط
به نیروی محرکه سلولی است که در آن تمام واکنش دهندهها و
محصوالت واکنش در حالت استاندارد خود باشند .مقادیر ˚εمعموال