برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۹/۰۱ تا ۱۳۹۹/۰۹/۰۷

آمار مقاله
  • بازدید کل ۴۶,۴۱۶
  • بازدید این ماه ۵۱
  • بازدید امروز ۵
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۸۵
  • قبول شدگان ۶۴۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۴۱
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۵
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

عمومی

نویسندگان
امتیاز کاربران

الکتروشیمی و واکنش‌های اکسایش-کاهش

مقدمه

قوانین حاکم بر دانش الکتروشیمی و کاربرد آن ها در علوم مختلف، در طی سالیان متمادی مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته است. علوم و فناوری نانو نیز از این قاعده مستثنی نیست. از فرآیندهای الکتروشیمیایی استفاده های گوناگونی در حوزه فناوری نانو می شود. ساخت و سنتز انواع مختلفی از نانومواد، ساخت ادوات مطالعه مواد نانومتری و مطالعه واکنش های الکتروشیمیایی در این مقیاس از آن جمله‌اند. یکی از موضوعات مهمی که در فناوری نانو به آن توجه خاصی می شود، روش-های تولید نانومواد و مواد نانوساختار است. محققین همواره در پی دستیابی به روش‌های تولید با کارایی بالاتر هستند که به تجهیزاتی با پیچیدگی کمتر نیاز داشته باشند و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشند. همچنین این روش‌ها باید توانایی ایجاد خواص مورد نظر را در ماده داشته باشند. در این خصوص روش‌های الکتروشیمی توانمندی‌های بسیار بالایی را از خود نشان داده‌اند. همچنین شناخت خواص مواد نانومتری از اهمیت بالایی در فناوری نانو برخوردار است. ساخت برخی ابزار مورد نیاز برای شناسایی خواص نانومواد به طور غیر مستقیم و بررسی خواص الکتروشیمیایی نانومواد به طور مستقیم به دانش و فناوری الکتروشیمی مرتبط است. در این مجموعه از مقالات ابتدا مفاهیم و اصول کلی دانش الکتروشیمی ارائه خواهد شد و در ادامه نمونه‌هایی از کاربردهای آن در فناوری نانو بیان می‌گردد. مثال‌هایی مانند ساخت انوع نانوسیم ها و نانومیله‌ها با استفاده از روش¬های الکتروشیمیایی، ساخت انواع سنسورها، ساخت پروب میکروسکوپ های SPM و ... از آن جمله‌اند.


 

الکتروشیمی

همانطور که از نام آن پیداست، الکتروشیمی علمی است که از یک طرف به الکتریسیته و از طرف دیگر به شیمی مرتبط است. آنچه که دو علم شیمی و الکتریسیته را به هم مرتبط می سازد، موجودی به نام الکترون است. شما در کتاب‌های دبیرستان با این موجود سر و کار داشته‌اید و می‌دانید آنچه که باعث پیوند بین اتم‌های مختلف شده و باعث تشکیل مولکول ها و ترکیب های مختلف می شود، همین الکترون است. از طرفی مسئولیت انتقال بار الکتریکی در مدارهای الکتریکی و مواد رسانا نیز بر عهده الکترون است. پس به بیان ساده، الکتروشیمی علمی است که در آن همزمان با استفاده از انرژی الکتریکی می‌توان باعث انجام واکنش شیمیایی شد، و یا با انجام یک واکنش شیمیایی، جریان الکتریکی تولید کرد. مثال-هایی از این دست در زندگی روزمره ما وجود دارد که هر روز با آن‌ها مواجه هستیم. روشن شدن چراغ قوه یا استارت زدن برای روشن کردن خودرو نمونه هایی هستند که در آن ها واکنش های شیمیایی صورت گرفته در باتری منجر به تولید الکتریسیته می شود. این واکنش های شیمیایی که در آن‌ها نقل و انتقال الکترون صورت می¬گیرد به واکنش های اکسایش کاهش و یا اکسیداسیون-احیا معروف هستند. مطالعه شیمی باتری ها (شکل های 1 و 2)، الکترولیز یا تجزیه الکتروشیمیایی (برقکافت) (شکل 3) ، پوشش دهی الکتروشیمیایی (آبکاری) (شکل‌های 4 تا 7) و خوردگی که از چالش برانگیزترین مسائل صنایع مختلف است (شکل های 8 تا 12)، همگی در سایه شناخت واکنش های الکتروشیمیایی و عوامل موثر بر آن ها امکان-پذیر است.

 



واکنش­های اکسایش کاهش و یا اکسیداسیون احیا، واکنش­هایی شیمیایی هستند که در آن‌ها نقل و انتقال الکترون صورت می­ گیرد.

 


برقکافت به فرآیندی گفته می­شود که در آن با استفاده از جریان الکتریکی، یک ماده (محلول یا مذاب) به ترکیبات سازنده آن تجزیه می شود.



خوردگی فرآیندی است که در آن مواد مختلف اعم از فلزات و غیرفلزات در حضور عوامل مختلف تخریب می
شوند . زنگ زدن آهن یک فرآیند خوردگی است.

 

filereader.php?p1=main_cc8e7a1d0ff2fb657
شکل1: شناخت انواع مختلف باتری های قابل شارژ و غیر قابل شارژ، و روش های افزایش طول عمر و توان آن ها با شناخت پدیده های الکتروشیمیایی و عوامل موثر بر آن ها امکان پذیر است.

filereader.php?p1=main_d38434773a1b09cb5
شکل2: باتری اتومبیل.

filereader.php?p1=main_f0241046a2d84b8f1
شکل3: الکترولیز (برقکافت) آب و تولید گازهای اکسیژن و هیدروژن.

filereader.php?p1=main_aa70ece6888b48c58
شکل4: نمای ساده ای از پوشش دهی الکتروشیمیایی (آبکاری) قطعات مختلف با استفاده از فلز طلا.


filereader.php?p1=main_51fe490cfdb09b6c0
شکل5: ایجاد پوشش نقره روی یک قاشق با استفاده از روش پوشش دهی الکتروشیمیایی (آبکاری).

filereader.php?p1=main_31bf395033736bcf1
شکل6: پوشش دهی بدنه خودرو با یکی از روش های مختلف پوشش دهی الکتروشیمیایی (آبکاری).

filereader.php?p1=main_11aceeb60c45144dd
شکل7: پوشش دادن قطعات مختلف صنعتی با استفاده از روش آبکاری.

filereader.php?p1=main_cd35ca95ed3dd875c
شکل8: خوردگی لنگر یک کشتی در محیط آب دریا، یکی از خورنده ترین محیط های طبیعی.

filereader.php?p1=main_43d79764cd48af085
شکل9: تخریب قطعات مختلف صنعتی به دلیل زنگ زدن و خوردگی.

filereader.php?p1=main_87db28e7b20ecf2cc
شکل10: خوردگی لوله های انتقال نفت و گاز سالیانه هزینه هنگفتی را بر صنایع مرتبط تحمیل می کند.

filereader.php?p1=main_6d395d8fec836fc66
شکل11: خوردگی مخازن نگه داری مواد مختلف از لحاظ ایمنی و نشت این مواد به طبیعت حائز اهمیت بسیاری است

filereader.php?p1=main_651306f591f55e726
شکل12: خوردگی قطعات و لوله های مختلفی که در معرض محیط های خورنده قرار دارند.

واکنش های اکسایش و کاهش
برای معرفی بهتر واکنش های شیمیایی اکسایش-کاهش می توان به مثال سوختن منیزیم که در اصل ترکیب منیزیم با اکسیژن و تولید اکسید منیزیم است اشاره کرد. این واکنش به دلیل شعله و نور شدیدی که تولید می کند معروف است (شکل13).

filereader.php?p1=main_ac6370269123b5f36
شکل13: سوختن منیزیم (Mg) در اکسیژن (O2) موجود در هوا و تولید اکسید منیزیم (MgO).

در برخی واکنش های شیمیایی الکترون یا الکترون هایی از یک اتم به اتم دیگر منتقل می شوند و این انتقال خود باعث پیوند بین دو نوع اتم گوناگون خواهد شد. به طور کلی برخی مواد به صورت اتمی وقتی در کنار برخی دیگر از مواد قرار می گیرند، تمایل دارند که الکترون های اتم دیگر را به سمت خود بکشند و آن ها را تصاحب نمایند. در اینجا نیز اتم اکسیژن یکی از الکترون های منیزیم را به سمت خود می کشد و اتم منیزیم یک الکترون از دست می دهد. هر چند در واکنش نشان داده شده در زیر این نقل و انتقال الکترون دیده نمی شود و تنها واکنش دهنده ها و محصول واکنش که اکسید منیزیم است، دیده می شود.
filereader.php?p1=main_44a50f07b4bdc5774

در این واکنش ها که با انتقال الکترون همراه است، اکسایش یعنی از دادن الکترون و کاهش نیز یعنی به دست آوردن الکترون. دو نیم واکنش زیر که از واکنش اصلی فوق مشتق شده اند نحوه از دست دادن الکترون در منیزیم و به دست آوردن الکترون اکسیژن را نشان می دهد.
filereader.php?p1=main_cf81bc44599fcd8b7
همانطور که می بینیم در طی این واکنش منیزیم دارای بار مثبت می شود (که در بالای نام اختصاری آن با علامت + نشان داده شده است) و اکسیژن داری بار منفی. نیم واکنش نخست، نیم واکنش اکسایش نامیده می شود که در آن منیزیم اکسایش یافته و نیم واکنش دوم، نیم واکنش کاهش است که در آن اکسیژن کاهش یافته است. تفکیک واکنش اصلی به دو نیم واکنش به منظور درک آسان تر این واکنش هاست. در واقع، الکترون به طور همزمان از منیزیم به اکسیژن انتقال می یابد.

در این مقاله به طور مختصر با صنایع مختلفی که با پدیده های الکتروشیمیایی سروکار دارند آشنا شدیم. اولین نکته ای که در مطالعه پدیده های الکتروشیمیایی باید به آن پرداخت، بررسی قوانین حاکم بر واکنش های اکسایش-کاهش است. در این واکنش ها اتم های مختلف تمایل به از دست دادن الکترون و برخی دیگر از اتم ها تمایل به گرفتن الکترون های اتم های دیگر دارند. در مقاله آینده به بررسی دقیق تر نقل و انتقال الکترون در واکنش های اکسایش کاهش و معرفی معیاری برای اندازه-گیری تمایل یک اتم به ازدست دادن یا گرفتن الکترون در حضور نوع دیگری اتم می پردازیم.


نظرات و سوالات

نظرات

10 -5

محمدرضا کلباسی مسجدشاهی - ‏۱۳۹۳/۰۳/۰۴

با تشکر از نویسندگان گرامی

5 -3

مجید نظرزاده - ‏۱۳۹۳/۰۲/۰۳

با عرض سلام وخسته نباشید ای کاش خبر پنجمین المپیاد زودتر داده می شد تا وقت مطالعه بیشتری در دسترس باشد

پاسخ مسئول سایت :
با سلام
المپیاد از طریق باشگاه نانو برگزار می شود واطلاع رسانی پنجمین آزمون آن از حدود پاییز 92 بر روی سایت باشگاه صورت گرفت. همچنین خبر برگزاری آن از اواخر بهمن ماه برروی سایت آموزش قرار داده شد. شما می توانید جهت کسب اطلاعات بیشتر به سایت باشگاه نانو nanoclub.ir مراجعه فرمایید.
موفق باشید.
10 -5

محدثه جهرمی زاده - ‏۱۳۹۳/۰۲/۰۱

ممنون خلاصه و مفید بود