درسنامه آموزشی شیمی (3) کلاس دوازدهم رشته ریاضی و تجربی
فصل 2: تولید انرژی سبز با سلول سوختی و برقکافت
سلول سوختی، منبعی برای تولید انرژی سبز
سوختهای فسیلی رایجترین سوخت برای خودروها و نیروگاهها به شمار میرود. از این رو استخراج و مصرف بیرویۀ این سوختها سبب شده تا ذخایر آن به سرعت کاسته شود. از سوی دیگر گسترش روزافزون آلودگی ناشی از مصرف سوختهای فسیلی، جهان را با چالشی نگران کننده روبهرو کرده است. با این توصیف یافتن جایگزینی مناسب برای سوختهای فسیلی به ویژه خودروها ضروری است. سلول سوختی نوعی سلول گالوانی است که شیمیدانها برای گذر از این تنگنای تأمین انرژی و کاهش آلودگی محیط زیست پیشنهاد میدهند. این سلولها افزون بر کارایی بیشتر میتوانند ردپای کربن دیاکسید را کاهش دهند بهطوری که دوستدار محیط زیست بوده و منبع انرژی سبز به شمار میروند.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 51 کتاب درسی)
در هر یک از روشهای زیر مراحل تبدیل انرژی شیمیایی موجود در یک سوخت به انرژی الکتریکی نشان داده شده است. با توجه به آن به پرسشها پاسخ دهید.
آ) در کدام روش اتلاف انرژی به شکل گرما کمتر است؟ چرا؟
روش 2: زیرا در سلولهای سوختی، سوخت به طور مستقیم وارد سلول سوختی شده و از واکنش میان سوخت و اکسیدکننده (اکسیژن یا هوا) انرژی الکتریکی تولید میشود، اما در روش 1 در چند مرحلهٔ متوالی، انرژی از شکلی به شکلی دیگر در میآید تا اینکه به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.
ب) کدام روش کارایی بالاتری دارد؟ توضیح دهید.
روش 2: استفاده از سلولهای سوختی اتلاف انرژی کمتری دارد. سلول سوختی با گاز هیدروژن کار میکند که نسبت به سوخت فسیلی آلودگی ندارد و دمای لازم برای شروع فرایند در سلول سوختی کمتر از نیروگاهها است. در این روش تولید انرژی الکتریکی به طور مستقیم و بیشتر از روش 1 است.
رایجترین سلول سوختی، سلول هیدروژن - اکسیژن است. دستگاهی که در آن گاز هیدروژن با گاز اکسیژن به صورت کنترل شده واکنش میدهد و بخش قابل توجهی از انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود (شکل 10).
همان گونه که شکل 10 نشان میدهد هر سلول سوختی سه جزء اصلی دارد به طوری که شامل یک غشا، الکترود آند و الکترود کاتد است. در این سلول، آند و کاتد دارای کاتالیزگرهایی هستند که به نیم واکنشهای اکسایش و کاهش سرعت میبخشند. واکنش کلی در چنین سلولی به صورت زیر است:
$2{{H}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\xrightarrow{{}}2{{H}_{2}}O(g)$
از عملکرد این سلول پیداست که گاز هیدروژن به عنوان سوخت پیوسته وارد شده، اکسایش مییابد و هم زمان با آن گاز اکسیژن در واکنش با سوخت کاهش مییابد. روندی که در معادله واکنش دیده نمیشود زیرا همه گونههای شرکت کننده در واکنش، مولکولهای خنثی هستند و شمار الکترونهای ظرفیت اتمها در واکنش تغییر نمیکند. به راستی در واکنشهایی از این دست چگونه میتوان گونههای اکسنده و کاهنده را مشخص کرد؟ شیمیدانها با معرفی عدد اکسایش راه حل مناسبی برای حل این مشکل ارائه کردند.
باهم بیندیشیم (صفحهٔ 52 کتاب درسی)
1- با توجه به واکنش کلی سلول سوختی هیدروژن اکسیژن به پرسشهای زیر پاسخ دهید.
آ) ساختار الکترون - نقطهای گونههای شرکت کننده را رسم کنید.
ب) در هر ساختار:
- به ازای هر جفت الکترون پیوندی میان دو اتم یکسان، یک الکترون به هر اتم نسبت دهید.
- به ازای هر جفت الکترون پیوندی میان دو اتم متفاوت، هر دو الکترون را به اتم با خصلت نافلزی بیشتر نسبت دهید.
- همه الکترونهای ناپیوندی روی هر اتم را به همان اتم نسبت دهید.
پ) الکترونهای نسبت داده شده به هر اتم را بشمارید و آن را از شمار الکترونهای ظرفیت همان اتم کم کنید. عدد به دست آمده عدد اکسایش اتم مورد نظر را نشان میدهد.
2- هرگاه بدانید که بیشتر شدن عدد اکسایش، نشان دهنده اکسایش یافتن و کمتر شدن آن نشان دهنده کاهش یافتن اتمهاست، در واکنش زیر گونههای اکسایش یافته، کاهش یافته، اکسنده و کاهنده را مشخص کنید.
$2{{H}^{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\to 2{{H}_{2}}O(g)$
3- دانش آموزی نیم واکنشهای انجام شده در نوعی سلول سوختی هیدروژن - اکسیژن را به صورت زیر از منابع علمی معتبر استخراج کرده است.
${{O}_{2}}(g)+{{H}^{+}}(aq)+{{e}^{-}}\xrightarrow{{}}{{H}_{2}}O(l)\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix}E{}^\circ =+1/23V$
${{H}_{2}}(g)\xrightarrow{{}}{{H}^{+}}(aq)+{{e}^{-}}\begin{matrix}
{} & {} & {} \\
\end{matrix}E{}^\circ =0/00V$
آ) هر یک از نیم واکنشها را موازنه کنید سپس واکنش کلی سلول را به دست آورید.
ب) emf این سلول را حساب کنید.
$=E{}^\circ ({{O}_{2}})-E{}^\circ ({{H}_{2}})=+1/2-0=1/2V$ (آند) $-{{E}^{{}^\circ }}$ (کاتد) $emf=E{}^\circ$
4- با پیشرفت علم و فناوری، سلولهای سوختی تازهای طراحی شدهاند که در آنها به جای گاز خطرناک هیدروژن، گاز متان مصرف میشود. با توجه به معادله واکنش کلی زیر به پرسشها پاسخ دهید:
$C{H_4}(g) + 2{O_2}(g) \to C{O_2}(g) + 2{H_2}O(g)$
آ) با تعیین عدد اکسایش اتمها، گونههای اکسنده و کاهنده را مشخص کنید.
ب) از دید محیط زیست گاز هیدروژن چه مزیتی نسبت به گاز متان دارد؟
با سوختن هیدروژن آب تولید میشود و گاز گلخانهای تولید نمیشود، با سوختن متان دیاکسیدکربن و آب تولید میشود و یکی از گازهای مهم گلخانهای بشمار میرود.
با تعیین عدد اکسایش اتمها در یک گونه شیمیایی آشنا شدید. برای نمونه عدد اکسایش هیدروژن و اکسیژن به حالت آزاد برابر با صفر است. از این رو عدد اکسایش دیگر عنصرها نیز به حالت آزاد مانند $Fe$، $Mg$ و $C{{l}_{2}}$ برابر با صفر خواهد بود. در حالی که عدد اکسایش یونهای تک اتمی برابر با بار الکتریکی آنهاست. برای نمونه عدد اکسایش یون اکسید و یون کلسیم در $CaO$ به ترتیب برابر با $-2$ و $+2$ است. همچنین دریافتید که با تغییر عدد اکسایش اتمها در یک واکنش میتوان گونههای اکسنده و کاهنده را تعیین کرد. روشی که به کمک آن میتوان واکنش اکسایش - کاهش را از دیگر واکنشها تشخیص داد.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 53 کتاب درسی)
1- در هر مورد با تعیین عدد اکسایش مشخص کنید که آن اتم اکسایش یا کاهش یافته است؟
آ) $C{{u}^{2+}}(aq)\to Cu(s)$
ب) $C{{r}^{2+}}(aq)\to C{{r}^{3+}}(aq)$
پ) $C(s)\to CO(g)$
ت) $N{{H}_{3}}(g)\to {{N}_{2}}(g)$
2- در هر یک از واکنشهای زیر با محاسبه تغییر عدد اکسایش، گونه کاهنده و اکسنده را تعیین کنید.
آ) $2Al(s)+F{{e}_{2}}{{O}_{3}}(s)\to A{{l}_{2}}{{O}_{3}}(s)+2Fe(s)$
ب) $2CO(g)+{{O}_{2}}(g)\to 2C{{O}_{2}}(g)$
اینک میپذیرید که برای تأمین انرژی الکتریکی میتوان از واکنشهای اکسایش - کاهش در سلولهای گالوانی مانند باتریها و سلولهای سوختی بهره برد. با اینکه سلولهای سوختی برخلاف باتریها، انرژی شیمیایی را ذخیره نمیکنند اما در آنها نیز پیوسته سوخت در شرایط کنترل شده، مصرف و جریان الکتریکی برقرار میشود. یکی از چالشهایی که در کاربرد سلولهای سوختی هیدروژن - اکسیژن خودنمایی میکند، تأمین سوخت آنهاست. آیا با استفاده از دانش الکتروشیمی میتوان راهی برای تولید گاز هیدروژن یافت؟
برقکافت آب، راهی برای تولید گاز هیدروژن
تاکنون با سلولهایی آشنا شدید که در آنها با انجام واکنشهای اکسایش - کاهش انرژی تولید میشود. نوع دیگری از سلولهای الکتروشیمیایی وجود دارند که با اعمال یک ولتاژ بیرونی و عبور جریان الکتریکی از درون محلول الکترولیت میتوان یک واکنش شیمیایی را در خلاف جهت طبیعی پیش راند.
این سلولها به سلولهای الکترولیتی معروف هستند و برقکافت آب یک نمونه از واکنشهایی است که در آنها انجام میشود (شکل 11).
خود را بیازمایید (صفحهٔ 54 کتاب درسی)
نیم واکنشهای انجام شده در سلول الکترولیتی هنگام برقکافت آب به صورت زیر است:
${{H}_{2}}O(l)\xrightarrow{{}}{{O}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}+\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}{{H}^{+}}(aq)$
${{H}_{2}}O(l)\xrightarrow{{}}{{H}_{2}}(g)\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}+\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}O{{H}^{-}}(aq)$
آ) با وارد کردن نماد الکترون در هر نیم واکنش مشخص کنید کدام نیم واکنش آندی و کدام کاتدی است؟
نیمواکنش آندی $2{{H}_{2}}O(l)\to {{O}_{2}}(g)+4{{H}^{+}}(aq)+4{{e}^{-}}$
نیمواکنش کاتدی $4{{H}_{2}}O(l)+4{{e}^{-}}\to 2{{H}_{2}}(g)+4O{{H}^{-}}(aq)$
ب) هر یک از نیم واکنشها را موازنه کنید و معادله کلی واکنش را به دست آورید.
پ) پیش بینی کنید کاغذ pH در محلول پیرامون آند و کاتد به چه رنگی در میآید؟ چرا؟
در محلول اطراف آند کاغذ pH به رنگ قرمز در میآید (به دلیل تولید ${{H}^{+}}$) و در اطراف کاتد کاغذ pH به رنگ آبی در میآید (به دلیل افزایش غلظت $O{{H}^{-}}(aq)$).
دریافتید که در سلول الکترولیتی، دو الکترود درون یک الکترولیت قرار دارند. الکترودهایی که اغلب گرافیتی هستند. در این سلولها، کاتد الکترودی است که به قطب منفی باتری و آند به قطب مثبت باتری متصل است و الکترولیت محتوی یونهایی است که آزادانه جابهجا میشوند.
در واقع الکترولیت یک محلول یونی یا یک ترکیب یونی مذاب است. هنگامی که به این سلول ولتاژ معینی اعمال شود، یونها به سوی الکترود با بار ناهمنام حرکت میکنند. به طوری که کاتیونها به سوی کاتد و آنیونها به سوی آند روانه میشوند تا به سطح الکترودها برسند و در نیم واکنش اکسایش و کاهش شرکت کنند.
سلول دانز یک سلول الکترولیتی است که در صنعت برای تهیه فلز سدیم به کار میرود. در این سلول، برقکافت سدیم کلرید مذاب انجام میشود.
برقکافت $NaCl(l)$ و تهیه فلز سدیم
فلز سدیم یک کاهنده قوی است که در طبیعت به حالت آزاد یافت نمیشود، عنصری که در ترکیبهای طبیعی و گوناگون خود تنها به شکل یون سدیم وجود دارد. این واقعیت نشان میدهد که یونهای سدیم بسیار پایدارتر از اتمهای آن هستند. به همین دلیل برای تهیه فلز سدیم باید انرژی زیادی مصرف کرد. شکل 12، تهیه این فلز را از برقکافت سدیم کلرید مذاب در یک سلول الکترولیتی نشان میدهد.
از آنجا که دیگر فلزهای فعال نیز کاهندههای قوی هستند، باید آنها را همانند سدیم از برقکافت نمک مذاب آنها تهیه کرد. برای نمونه فلز منیزیم را در صنعت از برقکافت منیزیم کلرید مذاب تهیه میکنند.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 54 کتاب درسی)
1- با توجه به شکل 12، واکنش کلی برقکافت سدیم کلرید مذاب را به دست آورید.
2- شکل زیر مراحل تهیه فلز منیزیم را از آب دریا نشان میدهد. جاهای خالی را پرکرده و درباره این روش در کلاس گفتوگو کنید.
1- آب دریا محتوی %5/3 منیزیم است. به آب دریا آب آهک $(Ca{{(OH)}_{2}}(aq))$ اضافه میکنند تا منیزیم محلول در آب به صورت رسوب منیزیم هیدروکسید $(Mg{{(OH)}_{2}}(s))$ درآید.
2- رسوب را از صافی عبور داده با اضافه کردن هیدروکلریکاسید $(HCl)$ به آن، منیزیم کلرید تهیه میشود.
3- با خنک و مذاب کردن $MgC{{l}_{2}}(aq)$ و انجام عمل برقکافت برروی $MgC{{l}_{2}}(l)$ در یک سلول الکترولیتی میتوان گاز کلر و فلز منیزیم تهیه کرد.
تاکنون با دو نوع سلول الکتروشیمیایی آشنا شدید. در سلول گالوانی، انجام یک واکنش اکسایش - کاهش منجر به تولید انرژی الکتریکی شده اما در سلول الکترولیتی با اعمال یک ولتاژ بیرونی یک واکنش اکسایش - کاهش دلخواه انجام میشود. واکنشهای انجام شده در هر دو سلول، مطلوب و سودمند هستند، این در حالی است که پیرامون ما واکنشهای اکسایش - کاهش زیادی مانند سیاه شدن وسایل نقرهای، فساد مواد خوراکی و... انجام میشوند که مطلوب ما نیستند و گاهی زیانهایی را به دنبال دارند.
