برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۷/۲۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۲۷

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۸,۷۲۷
  • بازدید این ماه ۴۲۴
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۸۸
  • قبول شدگان ۲۰۹
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۲۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۶
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

مقدماتی

نویسندگان
امتیاز کاربران

تمایل مواد مختلف به اکسایش و کاهش

در مقاله قبلی آموختیم که اتم‌های مختلف نسبت به دریافت (کاهش) و یا از دست دادن الکترون (اکسایش) از خود تمایل نشان می‌دهند. واضح است که عناصر مختلف میزان تمایل یکسانی نسبت به این موضوع ندارند. بنابراین برای تحلیل بیشتر و درک واکنش های اکسایش-کاهش، باید تمایل نسبی مواد مختلف به این نوع واکنش ها را مورد بررسی قرار دهیم. آیا می‌دانید چگونه می‌توانیم بین این تمایل مواد مختلف، تمایز قائل شویم و تفاوت‌های آن‌ها را درک کنیم؟ دانشمندان و مهندسان برای این کار یک معیار و مبنا را در نظر می‌گیرند. ایشان تمایل مواد مختلف را نسبت به هیدروژن سنجیده و از این معیار برای مقایسه بین عناصر مختلف استفاده می‌کنند. به منظور بررسی دقیق¬تر این موضوع به مثال زیر توجه کنید.
مقایسه رفتار فلزات «مس» و «روی»
فرض کنید محلولی حاوی یون‌های 2بار مثبت مس (+Cu2) وجود دارد. اگر یک قطعه فلز «روی» (Zn) را داخل این محلول فرو کنیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟
با وارد نمودن قطعه‌ای از جنس Zn در این محلول، یون های+ Cu2 در کنار اتم های Zn روی سطح فلز قرار می گیرند. با توجه به طبیعت این دو ماده در کنار هم، یون های+Cu2 تمایل دارند از اتم های فلز Zn الکترون بگیرند و طی فرآیند کاهش، تبدیل به اتم های Cu شوند. در این صورت این اتم های جدید از حالت محلول در آمده و روی تیغه و یا نزدیکی آن رسوب می کنند (یعنی از حالت محلول به جامد تبدیل می‌شوند). اتم های Zn واقع بر سطح قطعه نیز تمایل دارند الکترون های خود را از دست داده و آن ها را به یون¬های (+Cu2) منتقل نمایند. در این صورت اتم های Zn که موفق به این تبادل الکترونی می‌شوند، به یون های+Zn2 تبدیل شده و وارد محلول شوند (شکل1).
filereader.php?p1=main_44a50f07b4bdc5774

در اینجا فلز «روی» دچار اکسایش شده و نقش کاهنده دارد و یون¬های مس دچار کاهش شده و نقش اکسنده را دارند. تمایل به اکسایش یا کاهش مواد در کنار هم بستگی به نوع دو ماده دارد. مثلا در اینجا مس نسبت به روی، نقش اکسنده دارد و بر عکس. یعنی اکسایش مس در کنار روی اتفاق نمی¬افتد. از طرفی فلز مس خود ممکن است در کنار فلزی دیگر نقش کاهنده را داشته باشد. اما مشخص می شود که اگر دو قطعه از جنس Cu و Zn در تماس با یکدیگر و در یک محیط خورنده قرار بگیرند، آنگاه اولویت اکسید شدن با قطعه از جنس Zn است.

پرسش: با توجه به تمایل بیشتر Zn به اکسایش در برابر Cu، آیا می‌توانید کاربردهایی را برای این فلز متصور شوید؟ اگر فلزاتی دیگر چنین رفتاری را نسبت به آهن داشته باشند، چطور؟ به خصوص با توجه به اینکه آهن در صنایع مختلف و در ساخت سازه‌های مهندسی بسیار پر کاربرد است.


filereader.php?p1=main_cc8e7a1d0ff2fb657
شکل1: قرارگیری قطعه از جنس «روی» در محلول حاوی یون های مس منجر به احیا شدن (کاهش) یون های مس بر روی قطعه از جنس «روی» می‌شود.

با توجه به این مطالب می توان نتیجه گرفت که قدرت کاهندگی فلزات مختلف با میزان تمایل آنها برای از دست دادن الکترون برابر است. برای درک این پدیده و نشان دادن آن به صورت کمی، می توان از آزمایش زیر بهره برد.

سلول الکتروشیمیایی
فرض کنید قطعه ای از فلز «روی» را در محلولی که حاوی یون های این فلز است قرار دهیم (این محلول را می توان از حل کردن روی سولفات (ZnSO4) در آب به دست آورد). این مجموعه یک نیم سلول نام دارد. در این نیم سلول، برای برقرار شدن تعادل بین اتم هایی که روی سطح قطعه ی Zn قرار دارند (که به این قطعه الکترود می گویند) با یون های +Zn2 که در محلول هستند (که به این محلول الکترولیت می گویند)، تعدادی از اتم های روی سطح الکترود، الکترون های خود را از دست می دهند و خود به صورت یون+Zn2 وارد محلول می شوند.

در اینجا «روی» در دو محیط متفاوت وجود دارد، یکی در حالت جامد فلزی به صورت اتم Zn، و دیگری به صورت یون Zn2+ در یک محلول. به دلیل تفاوت در ماهیت فیزیکی و شیمیایی این دو محیط، اتم Zn و یا یون Zn2+ تمایل به ترک محیط خود و رفتن به محیط دیگری را دارند. فرآیند رد و بدل کردن «روی» بین دو محیط، بعد از مدتی که گفته شد، به تعادل می­رسد.

 

بنابراین تعدادی الکترون روی سطح الکترود باقی خواهند ماند. در نتیجه الکترودی وجود خواهد داشت که دارای بار الکتریکی منفی است و الکترولیتی که برآیند بارهای آن مثبت شده و دارای بار الکتریکی مثبت است.


نکته: بر اساس آنچه از ساختار فلزات آموخته‌اید، یک قطعه فلز «روی» در حالت طبیعی از یون‌های مثبت فلزی در دریایی از الکترون­ها تشکیل شده است. مسئول انتقال الکتریسیته نیز در فلزات این الکترون­ها هستند. تعداد الکترون­ها و تعداد پروتون‌های این قطعه فلز در حالت طبیعی و خارج از محلول با هم برابرند و بار کل فلز خنثی است.


نکته: محلول سولفات روی (ZnSO4)، از حل کردن این ماده در آب به دست می­آید. پس از حل شدن، در کنار مولکول­های آب (H2O)، به تعداد مساوی از یون های Zn2+ و SO42- وجود خواهند داشت. پس مجموع بارهای مثبت و منفی در محلول همدیگر را خنثی می کنند. با ورود یون­های جدید Zn2+ به محلول (از قطعه فلز) تعداد بارهای مثبت بیشتر می­شود. در این صورت الکترولیت دارای بار الکتریکی مثبت خواهد بود.


الکترولیت، محیطی رسانای الکتریسیته است که مسئولیت انتقال الکتریسیته در آن بر عهده یون­های آن می باشد.


پس یک اختلاف پتانسیل بین الکترود و الکترولیت به وجود خواهد آمد که به آن پتانسیل الکترودی می گویند. تعادل به وجود آمده بین الکترود و الکترولیت به صورت زیر نشان داده می شود.
filereader.php?p1=main_44a50f07b4bdc5774

در اینجا علامت [ (کروشه) نشان دهنده ی سطح الکترود و در واقع همان مرز جداکننده دو محیط است. مشابه چنین شرایطی در مورد الکترودی از جنس مس که داخل الکترولیتی (حاوی یون های مس) باشد، وجود دارد. تعادل ذکر شده در بالا، برای این مورد به صورت زیر نشان داده می شود:
filereader.php?p1=main_cf81bc44599fcd8b7

در این سیستم نیز یک اختلاف پتانسیل بین الکترود و الکترولیت به وجود می آید. به این اختلاف پتانسیل، پتانسیل الکترودی آن الکترود می گویند. پتانسیل های الکترودی برای فلزات مختلف مقادیر متفاوتی هستند که این مقدار به نوع فلز بستگی دارد.
در نتیجه دو الکترود داریم، در دو محیط مختلف که هر یک پتانسیل مخصوص به خود را دارند. اگر این دو نیم سلول را مانند شکل 2 با استفاده از یک سیم رسانا به هم متصل کنیم، مجموعه ای جدید خواهیم داشت که با عنوان سلول الکتروشیمیایی شناخته می شود. در این حالت نیز واکنش زیر به وقوع خواهد پیوست (که در قسمت قبل در صورت وارد کردن فلز روی در محلول حاوی یون های مس اتفاق افتاد):
filereader.php?p1=main_3ead30037e14a4e32

filereader.php?p1=main_d38434773a1b09cb5
شکل2: سلول الکتروشیمیایی روی- مس؛ در اینجا برای الکترولیت مس از محلول مس (II) سولفات و برای الکترولیت روی از محلول روی سولفات استفاده شده است. این محلول ها به ترتیب یون های +Cu2 و +Zn2 را در مجاورت الکترودهای مس و روی تامین می کنند.

در اینجا جریان الکترون ها از سمت فلز روی به سمت مس از طریق سیم رسانای بیرونی اتفاق می افتد و نشان دهنده ی تمایل فلز روی به از دست دادن الکترون است. نکته در اینجاست که دو الکترود نسبت به هم دارای اختلاف پتانسیلی خواهند شد که در شکل 2 نشان داده شده است. این اختلاف پتانسیل به عنوان عاملی برای انتقال الکترون ها در مدار عمل می کند. همانطور که در این مثال دیده می شود اختلاف پتانسیل بین الکترود روی و مس در محلول های مشخص شده، برابر 1.10 ولت است. این عدد تنها اختلاف پتانسیل دو الکترود را نشان می دهد و اطلاعاتی در مورد پتانسیل هر الکترود در اختیار قرار نمی دهد. به طور مثال پتانسیل الکترود روی می تواند هر عددی باشد و به نسبت آن پتانسیل الکترود مس 1.10 ولت با آن اختلاف داشته باشد. بر اساس آنچه در فیزیک دبیرستان آموخته اید، در یک مدار الکتریکی، الکترون ها از پتانسیل های کمتر به پتانسیل های بیشتر می روند. در نتیجه در اینجا پتانسیل الکترود روی کمتر از الکترود مس است.

همانطور که در فیزیک دبیرستان دیدیم، برای ارتفاع یک جسم نمی توان عدد مشخصی قائل شد، مگر اینکه یک مبنای مشخص را برای آن در نظر گرفته باشید. مثلا سطح زمین، محلی است که معمولا به عنوان ارتفاع صفر و در نتیجه به عنوان سطح پتانسیل گرانشی صفر در نظر گرفته میشود. اما در عین حال بسته به مسئله ای که در دست بررسی داریم، می توانیم سقف اتاق را به عنوان ارتفاع صفر در نظر بگیریم و بنابراین ارتفاع ما (که در اتاق و زیر سقف قرار گرفته‌ایم) عددی منفی خواهد شد. همانطور که مشخص است، در مورد پتانسیل، مقدار دقیق اهمیت زیادی ندارد؛ بلکه موضوع اساسی و با اهمیت، همان «اختلاف پتانسیل» است. برای مثال در جاری شدن جریان الکتریسیته، اختلاف ولتاژ (اختلاف پتانسیل الکتریکی)، در منتقل شدن گرما از یک جسم به جسم دیگر، اختلاف دما و در غلتیدن یک توپ روی سطح شیب یک تپه (تبدیل انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی)، اختلاف ارتفاع مهم است.


نکته ای که باید در مورد شکل 2 به آن اشاره کرد استفاده از پل نمکی است. پل نمکی وسیله ای است که باعث جریان یافتن الکتریسیته می شود. در حقیقت پل نمکی با یون های مختلفی که در خود دارد باعث به جریان انداختن یون ها بین دو محلول می شود تا مدار الکتریکی کامل شده و جریان الکتریکی برقرار گردد.

در این مقاله، به تمایل مواد مختلف به اکسایش و یا کاهش پرداختیم. دیدیم که با اتصال الکتریکی دو الکترود غیر هم جنس که در الکترولیت قرار دارند، جریان الکتریکی برقرار می شود. دلیل آن، اختلاف پتانسیل به وجود آمده از پتانسیل های الکترودی متفاوت دو الکترود است. در مقاله بعد که ادامه همین مبحث است، روش بیان عددی یک پتانسیل الکترودی با استفاده از پتانسیل استاندارد الکترود هیدروژن معرفی خواهد شد.

نظرات و سوالات

نظرات

5 0

پوریا اسلامی - ‏۱۳۹۳/۰۶/۲۶

سلام

به نظر من اگر فرمول cellهم به این قسمت اضافه کنید بهتره

چون هم با اند و کاتد اشنا شده و هم می دانند که اگر Eهر کدام را داشته باشیم E دیگری بدست می اید