برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۲/۲۹ تا ۱۳۹۷/۰۳/۰۴

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۸,۶۵۵
  • بازدید این ماه ۸۳۵
  • بازدید امروز ۸
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۲۳
  • قبول شدگان ۱۷۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۹۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۰
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

پتانسیل‌های کاهشی استاندارد و کاربردهای واکنش‌های اکسایش-کاهش

در مقاله قبل تمایل مختلف فلزات به اکسایش یا کاهش مورد بحث قرار گرفت. آموختیم که فلزات مختلف نسبت به هم رفتار متفاوتی در گرفتن یا از دست دادن الکترون دارند که این رفتار به نوع دو فلز بستگی دارد. در این مقاله ابتدا به یافتن مبنا و معیاری برای دسته‌بندی الکترودهای فلزی مختلف بر حسب تمایلشان به اکسایش یا کاهش می پردازیم. در نتیجه این روش می‌توانیم به هر الکترود یک عدد مشخص (پتانسیل استاندارد) نسبت دهیم که با الکترود دیگر متفاوت بوده و مقایسه تمایل آن دو به از دست دادن الکترون یا به دست آوردن آن را آسان می کند. در قسمت دوم مقاله نیز به برخی از کاربردهای متنوع از پدیده های مختلف الکتروشیمیایی در صنایع مختلف می پردازیم.
پتانسیل های کاهشی استاندارد
برای استانداردسازی تمایل نسبی کاهندگی و اکسندگی فلزات مختلف نسبت به هم و نسبت دادن یک عدد مشخص به پتانسیل هر الکترود، از روش زیر استفاده می‌شود. در این روش پتانسیل نیم سلولی که الکترود آن از جنس هیدروژن باشد، برابر با صفر در نظر گرفته می‌شود (در مقاله قبل نیم سلول مس و روی معرفی شد). بدین ترتیب هر نیم سلول دیگر با الکترود مخصوص به خود که در یک مدار الکتریکی با نیم سلول هیدروژن قرار بگیرد، سلولی الکتروشیمیایی تشکیل می‌دهد. با توجه به اینکه پتانسیل الکترود هیدروژن صفر در نظر گرفته می‌شود، عدد اختلاف پتانسیل اندازه‌گیری شده در این سلول، پتانسیل الکترود مورد نظر است. الکترود استاندارد هیدروژن را با SHE )Saturated Hydrogen Electrode)نشان می‌دهیم. شاید این سوال مطرح باشد که هیدروژن در دمای اتاق حالت گازی دارد و ساخت الکترودی از آن عملا غیر ممکن است. بدین جهت از یک فلز که تقریبا در محیط‌های مختلف خنثی بوده و واکنش‌پذیری کمی از خود نشان می‌دهد، استفاده می‌شود. پلاتین برای این منظور یک گزینه بسیار مناسب است. روش کار بدین ترتیب است که گاز هیدروژن در محلول اسیدی حاوی یون‌های+ H روی سطح پلاتین دمیده می‌شود. در حقیقت سطح پلاتین محلی برای کاهش یا اکسایش هیدروژن خواهد بود.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل1: استفاده از الکترود استاندارد هیدروژن (با استفاده از سیم پلاتینی که داخل یک لوله فلزی قرار داده شده) برای تعیین تمایل اکسایش یا کاهش فلز روی نسبت به فلزات دیگر.

در الکترود استاندارد هیدروژن می‌توان نوشت:
filereader.php?p1=main_44a50f07b4bdc5774
همانطور که مشاهده می‌شود پتانسیل این الکترود (E) را به صورت قراردادی برابر 0.00 ولت در نظر می‌گیریم.
به پتانسیل نسبی هر فلز نسبت به پتانسیل استاندارد هیدروژن، پتانسیل کاهشی استاندارد آن فلز می‌گوییم. در صورت مرتب کردن فلزها به ترتیب افزایش این پتانسیل کاهشی استاندارد، یک سری الکتروشیمیایی به دست می‌آید. این سری الکتروشیمیایی اطلاعات سودمندی از واکنش‌پذیری فلزها و مقایسه آن‌ها با یکدیگر فراهم می‌آورد. اگر E سلول محاسبه شود (E سلول برابر است با تفاضل پتانسیل الکترود اول و دوم) و این مقدار مثبت باشد، واکنش از سمت الکترودی که پتانسیل کمتری دارد به سمت الکترودی که پتانسیل بیشتری دارد، انجام پذیر خواهد بود. یعنی اگر پتانسیل الکترودی بیشتر باشد، الکترون به سمت آن می رود و برای واکنش اکسید شدن مصرف می شود. جدول 1 پتانسیل‌های کاهشی استاندارد را نشان می‌دهد (کتاب شیمی دوره پیش دانشگاهی).

جدول1: برخی از پتانسیل‌های کاهشی استاندارد
filereader.php?p1=main_c812513f0037ce54f

تا اینجا به واکنش‌های اکسایش-کاهش که پایه اصلی فرآیندهای الکتروشیمیایی را تشکیل می‌دهند، پرداخته شد. در ادامه این مقاله به برخی از موضوعات که در صنایع مختلف وجود دارند و برای مطالعه آن‌ها نیاز به دانش الکتروشیمی است، می‌پردازیم.

کاربردهای الکتروشیمی در صنایع
1 و 2- سلول‌های الکتروشیمیایی

به طور کلی دو نوع سلول الکتروشیمیایی وجود دارد:
دسته اول: سلول‌هایی هستند که واکنش‌های الکتروشیمیایی به طور خود به خود بر روی الکترودهای آن‌ها صورت می‌گیرد و انجام این واکنش‌ها باعث تولید انرژی الکتریکی می‌شود. این دسته از سلول‌های الکتروشیمیایی به سلول‌های گالوانی مشهورند.
دسته دوم: سلول‌هایی هستند که با اعمال انرژی الکتریکی بیرونی باعث انجام یک واکنش الکتروشیمیایی دلخواه بر روی الکترودهای آن‌ها خواهیم شد. این دسته از سلول‌های الکتروشیمیایی به سلول‌های الکترولیتی مشهورند.
سلول‌های گالوانی به عنوان منابعی برای تولید انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. انواع مختلف باتری‌ها از این نوع سلول‌های الکتروشیمیایی هستند. به طورکلی دو نوع سلول گالوانی وجود دارد. دسته اول باتری‌های معمولی هستند که با تمام شدن واکنش‌دهنده‌های موجود درونشان غیر فعال می‌شوند و امکان شارژ و دوباره پرکردن آن‌ها وجود ندارد. دسته دوم شامل باتری خودرو و یا باتری‌های قابل شارژ هستند که می‌توان آن‌ها را چندین بار شارژ کرده و دوباره مورد استفاده قرار داد.
علاوه بر سلول‌های گالوانی که در آن‌ها وقوع یک واکنش الکتروشیمیایی باعث تولید جریان الکتریکی می‌شود، در سلول‌های الکترولیتی می‌توان با عبور دادن جریان الکتریکی درون محلول یک واکنش شیمیایی روی الکترودها انجام داد. در این روش با ایجاد یک میدان الکتریکی بین دو الکترود (آند و کاتد) اجزای باردار محلول که همان یون‌های مختلف هستند به سمت قطب‌های با بار مخالف خود حرکت می‌کنند که در نهایت اجزای مختلف از هم جدا می‌شوند. برقکافت (تجزیه الکتروشیمیایی) نمونه‌ای از کاربردهای سلول‌های الکترولیتی است. علاوه بر این، سلول‌های الکترولیتی در تجزیه محلول‌ها و مواد مذاب، خالص‌سازی مواد مختلف مانند مس و هم چنین در آبکاری فلزات (که نوعی روش برای ایجاد پوشش‌های فلزی است) کاربرد دارند. الکترودی که به قطب مثبت وصل شده است و آند نامیده می‌شود، محل انجام واکنش‌های اکسایش است. یعنی گونه‌های با بار منفی روی آن الکترون‌های خود را از دست می‌دهند و یا اتم‌های خود الکترود، الکترون‌های خود را از دست می‌دهند و به صورت یون با بار مثبت وارد محلول می‌شوند. الکترود دوم که به قطب منفی منبع تغذیه متصل است و کاتد نام دارد، محل انجام واکنش‌های کاهش است. یعنی گونه‌های با بار مثبت در محلول با جذب به روی این الکترود، الکترون‌هایی که از منبع تغذیه آمده‌اند را جذب کرده و احیا می‌شوند یا به اصطلاح کاهش پیدا می‌کنند. یون‌های با بار منفی که به سمت آند می‌روند، آنیون و یون‌های با بار مثبت که به سمت کاتد می‌روند، کاتیون نامیده می‌شوند.

3- خوردگی آهن و روش‌های جلوگیری از آن
یکی از مشکلات بسیار پرهزینه‌ای که در صنایع پیشرفته و غیر پیشرفته در جهان وجود دارد، مسئله خوردگی فلزات است. خوردگی فلزات، به خصوص آهن در صنایع هزینه هنگفتی بر دوش کشورها می‌گذارد؛ به طوری‌که در کشورهای صنعتی 20درصد از آهن و فولاد تولیدی برای جایگزین کردن قطعات خورده شده مصرف می‌شود. به دلیل واکنش‌پذیری شدید اکسیژن، این ماده می‌تواند هر فلزی به جز فلزات نجیب را اکسید کند. فلزات نجیب، فلزاتی هستند که واکنش‌پذیری کمی از خود نشان می‌دهند، مانند طلا، پلاتین و پالادیم. به علاوه تمایل طبیعی برخی فلزات مانند آهن به زنگ زدن و ترکیب آن‌ها با اکسیژن، سبب ترد شدن، خرد شدن و فرو ریختن این فلزها می‌شود. به طور کلی به ترد شدن، خرد شدن و فرو ریختن فلزات بر اثر اکسایش، خوردگی گفته می‌شود. علاوه بر اکسیژن خالص، محیط‌های دیگری نیز مانند آب یا یک محلول اسیدی می‌توانند فلزات را دچار خوردگی کنند.
در حال حاضر روش‌های مختلفی برای محافظت قطعات آهنی و فولادی در مقابل خوردگی استفاده می‌شود. رنگ کردن قطعات ساده مانند در و پنجره تا قطعات پیچیده صنعتی، قیر اندود کردن سطح لوله‌های نفتی و یا استفاده از دیگر پوشش‌های پلیمری و استفاده از پوشش‌های مختلف بر روی فلزات از این روش‌ها هستند (شکل2). اصول کلی این روش‌ها بر دو مبنا استوار است. نوع اول روش‌هایی هستند که در آن‌ها سعی می‌شود که محیط خورنده از فلز مورد نظر دور نگه داشته شود و از تماس محیط خورنده با فلز جلوگیری شود. بدین ترتیب یکی از اجزای اصلی واکنش‌های الکتروشیمیایی که الکترولیت است، حذف شده و در نهایت خوردگی اتفاق نمی‌افتد. انواع پوشش‌های پلیمری و رنگ‌ها از این نوع هستند. در نوع دوم از روش‌های جلوگیری از خورده شدن آهن، در کنار قطعه یا فلز اصلی که باید از خوردگی محافظت شود، ماده یا قطعه‌ای تعبیه می‌شود که تمایل بیشتری به خورده شدن داشته و به اصطلاح فدای قطعه اصلی می‌شود.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
(الف)

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
(ب)

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
(ج)
شکل2: استفاده از رنگ‌ها و پوشش‌های پلیمری برای حفاظت از قطعات مختلف فولادی در مقابل خوردگی

در قسمت‌های قبل گفته شد که اگر فلزات مختلف را بر اساس پتانسیل کاهشی استاندارد مرتب کنیم، به اطلاعات و کاربردهای ارزشمندی خواهیم رسید. به طور مثال فلز آهن نسبت به فلز منیزیم دارای پتانسیل کاهشی مثبت‌تری است (مقدار 0.44v  برای آهن در برابر 2.38v- برای منیزیم؛ گرچه هر دو منفی هستند، اما آهن مقداری مثبت‌تر دارد!). در نتیجه اگر این دو فلز در اتصال با هم، چه به صورت یک مدار الکتریکی با یک سیم رابط و چه به صورت چسبیده به هم، در یک محیط خورنده که نقش الکترولیت را داشته باشد قرار بگیرند، آهن نقش اکسنده را بازی می‌کند و منیزیم نقش کاهنده را. در نتیجه فلز منیزیم الکترون خود را از دست داده، به صورت یون در آمده و خورده می‌شود، و فلز آهنی یا فولادی در برابر خوردگی محافظت می‌شود. این ساز و کار در حفاظت از آهن (فولاد) از طریق فرآیند گالوانیزه کردن (پوشش دادن لایه¬ای از فلز «روی» بر روی فولاد) نیز مشاهده می شود (شکل 3). در اینجا حتی اگر پوشش Zn دچار خراش شود و محلول خورنده به فلز زیرلایه که عموما فولادی است برسد، باز این Zn است که نقش فداشوندگی دارد و از خورده شدن آهن جلوگیری می‌کند. یکی دیگر از روش‌های حفاظت از خوردگی که از این نوع ساز و کار بهره می‌برد، حفاظت کاتدی از لوله‌های نفتی است. در این روش یک قطعه از فلز روی، آلومینیوم یا منیزیم (فلزاتی که در جدول پتانسیل‌های کاهشی استاندارد، با مقادیر منفی‌تر از آهن، بالاتر از آن قرار می‌گیرند و برای خورده شدن اشتیاق بیشتری از خود نشان می‌دهند.) با استفاده از یک سیم رابط به لوله فولادی متصل می‌شود. به این ترتیب هنگامی‌که این لوله در معرض محیط خورنده قرار می‌گیرد، قطعه فدا شونده از خورده شدن لوله فولادی جلوگیری می‌کند. با توجه به اینکه در این روش‌ها فلز تحت محافظت نقش کاتد را بازی می‌کند و فلز محافظت کننده (همان فلزی که فدای فلز اصلی شده و خورده می‌شود) نقش آند را، به این روش‌ها به اصطلاح محافظت کاتدی گفته می‌شود (شکل4).

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
(الف)


filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
(ب)

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
(ج)
شکل3: قطعات مختلف فولادی که با فلز Zn پوشش داده شده اند.

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
(الف)

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
(ب)
شکل4: (الف) تصویر شماتیک و (ب) تصویر واقعی از حفاظت کاتدی لوله‌های زیرزمینی. در اینجا محیط خاک به عنوان الکترولیت عمل می‌کند. قسمت نشان داده شده با حرف A در شکل (الف) به عنوان فلز فداشونده برای لوله مورد نظر عمل می-کند. آند با یک سیم به کاتد یا همان لوله متصل است. در شکل (ب) لوله تحت محافظت در سمت راست و دو محل قرارگیری آند فدا شونده در سمت چپ دیده می‌شوند.

4- پوشش‌دهی الکتروشیمیایی (آبکاری)
یکی از روش‌های ایجاد پوشش از مواد مختلف به خصوص فلزها، استفاده از یک سلول الکترولیتی است. به این روش، پوشش‌دهی الکتروشیمیایی یا آبکاری می‌گویند. در این روش قطعه‌ای که قرار است پوشش‌دهی شود به قطب منفی منبع تغذیه الکتریکی متصل شده و به عنوان کاتد عمل می‌کند. بر روی کاتد یون‌های مثبت محلول کاهش می‌یابند و به صورت پوشش مورد نظر روی کاتد رسوب می‌کنند (تبدیل از حالت محلول به جامد). بنابراین جسمی که این روکش یا پوشش فلزی روی آن ایجاد می‌شود یا باید خود رسانای الکتریسیته باشد و یا به طریقی الکتریسیته را از خود عبور دهد تا نقش کاتد داشته باشد. در این روش محلول الکترولیتی که استفاده می‌شود باید دارای یون‌های فلز پوشش باشد. به طور مثال در پوشش‌دهی با فلز روی (Zn) محلول دارای کلرید روی یا سولفات روی است. همچنی برای آبکاری نیکل، محلول مورد استفاده دارای کلرید یا سولفات نیکل است. مثال دیگر مربوط به پوشش‌دادن نقره روی قطعه مورد نظر است. برای این کار می‌توان از محلول حاوی نمک نیترات نقره استفاده نمود. شکل 5 سلول الکترولیتی ساده‌ای را نشان می‌دهد که برای پوشش‌دهی نقره استفاده می‌شود.

filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597
شکل5: آبکاری یک قاشق با فلز نقره

در ابتدای این مقاله روش استاندارد سازی تمایل فلزات مختلف به اکسایش یا کاهش در کنار هم معرفی شد. گفتیم که مبنای این روش استفاده از نیم سلول الکترودی هیدروژن است. در ادامه مقاله به چند مبحث مهم از صنایع مختلف که به طور مستقیم با پدیده‌های الکتروشیمیایی درگیر هستند، پرداخته شد. برای تحلیل فرآیندهایی نظیر واکنش‌های شیمیایی که در انواع باتری‌ها اتفاق می‌افتد، خوردگی فلزات و راهکارهای حفاظت از آن، پوشش‌دهی الکتروشیمیایی مواد و ... مطالعه دانش الکتروشیمی ضروری است. در مقاله‌های بعدی به طور مشخص‌تر به تولید مواد و ساخت محصولات مختلف در حوزه فناوری نانو با استفاده از فرآیندهای الکتروشیمیایی خواهیم پرداخت.


نظرات و سوالات

نظرات

4 0

مریم یعقوبی - ‏۱۳۹۵/۱۱/۱۱

متشکرم عالی بود.

پاسخ مسئول سایت :
سلام
رضایت شما افتخار ماست.