درسنامه آموزشی شیمی (3) کلاس دوازدهم رشته ریاضی و تجربی
فصل 2: تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی
واکنشهای شیمیایی و سفر هدایت شده الکترونها
برای ایجاد جریان الکتریکی باید الکترونها را از یک مسیر معین عبور داد یا از نقطهای به نقطه دیگر جابهجا نمود. اگر به جای داد و ستد مستقیم الکترون بین گونههای اکسنده و کاهنده در یک واکنش، بتوان الکترونها را از طریق یک مدار بیرونی هدایت و جابهجا کرد آنگاه میتوان بخشی از انرژی آزاد شده در واکنش اکسایش - کاهش را به شکل انرژی الکتریکی در دسترس تبدیل نمود. آیا میدانید برای دستیابی به این هدف چه تغییری باید در شرایط و چگونگی انجام یک واکنش اکسایش - کاهش صورت گیرد؟
شیمیدانها در پژوهشها دریافتند که هرگاه تیغه روی درون محلولی از روی سولفات (نیم سلول روی) و تیغه مس درون محلولی از مس $(II)$ سولفات (نیم سلول مس) قرار گیرد و نیم سلولها همانند شکل زیر به یکدیگر وصل شوند، الکترونها در مدار بیرونی جابهجا شده و جریان الکتریکی ایجاد میشود. جریانی که سبب روشن شدن لامپ خواهد شد. نتایج حاصل از چنین پژوهشهایی منجر به ساخت سلول گالوانی شد (شکل 7).
اگر پس از انجام واکنش، تیغههای روی و مس را از سلول گالوانی جدا کنید، خواهید دید که از جرم تیغه روی کاسته شده و بر جرم تیغه مس افزوده شده است (شکل 8).
آیا میدانید
شواهد تاریخی نشان میدهد که ایرانیان باستان با ظرفهای سفالی، قطعههایی از فلزهای آهن و مس همراه با محلول نمک خوراکی یا سرکه، دستگاهی برای تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی ساخته بودند.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 45 کتاب درسی)
شکل زیر نمای ذرهای از سلول گالوانی روی مس (Zn - Cu) را نشان میدهد. با توجه به آن به پرسشها پاسخ دهید.
آ) نیم واکنشهای انجام شده در هر نیم سلول و واکنش کلی سلول را بنویسید.
ب) آند الکترودی است که در آن نیم واکنش اکسایش و کاتد الکترودی است که در آن نیم واکنش کاهش رخ میدهد. با این توصیف، کدام الکترود نقش آند و کدام نقش کاتد را دارد؟
الکترود روی $(Zn)$ نقش آند را دارد، زیرا نیمواکنش اکسایش در آن انجام شده است. الکترود مس $(Cu)$ نقش کاتد را دارد، زیرا نیمواکنش کاهش در آن انجام شده است.
پ) در مدار بیرونی، حرکت الکترونها در چه جهتی است؟ چرا؟
جهت حرکت الکترونها در مدار بیرونی از آند به سمت کاتد است (از سمت تیغهٔ روی به سمت تیغهٔ مس).
ت) توضیح دهید چرا پس از مدتی جرم تیغه روی کم و جرم تیغه مس زیاد شده است؟
هر اتم فلزی روی دو الکترون از دست میدهد (فرایند اکسایش) و به صورت یون وارد محلول میشود پس جرم تیغه روی (آند) کم میشود و آند لاغر میشود. و هر یون مس موجود در محلول با گرفتن دو الکترون به شکل اتم فلزی بر سطح کاتد مینشیند بنابراین کاتد چاق میشود.
آموختید که سلول گالوانی، دستگاهی است که میتواند بر اساس قدرت کاهندگی فلزها انرژی الکتریکی تولید کند. برای نمونه در سلول گالوانی روی - مس، نیم واکنش اکسایش در آند (الکترود روی) انجام میشود و هر اتم روی دو الکترون از دست میدهد و به شکل یون روی وارد محلول میشود. به دلیل تولید الکترون در این الکترود آن را با علامت منفی نشان میدهند. الکترونهای تولید شده در سطح الکترود روی از طریق مدار بیرونی (سیم رابط) به سوی کاتد (الکترود مس) روانه میشوند. هر یون مس موجود در محلول، این دو الکترون را میگیرد و به شکل اتم مس بر سطح تیغه مینشیند. انتظار میرود با ادامه این روند به تدریج در محلول پیرامون الکترود آند، غلظت کاتیون روی از آنیونها بیشتر شده اما در محلول پیرامون الکترود کاتد، غلظت آنیونها از کاتیون مس بیشتر شود. اما در عمل هیچگاه چنین پدیدهای رخ نمیدهد زیرا برای ادامه واکنش اکسایش - کاهش، محلولهای موجود در هر دو ظرف باید از نظر بار الکتریکی خنثی بمانند. این مهم هنگامی امکانپذیر است که کاتیونها از نیم سلول آند به کاتد و آنیونها از نیم سلول کاتد به آند با گذر از دیواره متخلخل مهاجرت کنند.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 46 کتاب درسی)
شکل زیر سلول گالوانی مس نقره (Cu - Ag) را نشان میدهد. با توجه به آن به پرسشها پاسخ دهید.
آ) علامت الکترودهای مس و نقره را مشخص کنید. الکترود مس، منفی و الکترود نقره، مثبت است.
ب) نیم واکنشهای انجام شده در آند و کاتد را بنویسید.
نیمواکنش آندی $Cu(s)\xrightarrow{{}}C{{u}^{2+}}(aq)+2{{e}^{-}}$
نیمواکنش آندی $A{{g}^{+}}(aq)+{{e}^{-}}\xrightarrow{{}}Ag(s)$
پ) با انجام واکنش، جرم الکترودها چه تغییری میکند؟ توضیح دهید.
کاتد یعنی نقره چاق و آند یعنی تیغه مس لاغر میشود.
ت) جهت حرکت یونها را از دیواره متخلخل مشخص کنید.
کاتیونها باید جذب کاتد و آنیونها باید جذب آند شوند، بنابراین یونهای نیترات $NO_{3}^{-}(aq)$ از محلول کاتدی به سمت محلول آندی حرکت میکنند و یونهای $C{{u}^{2+}}(aq)$ از محلول آندی به سمت محلول کاتدی.
آیا میدانید
نور تولید شده توسط کرم شبتاب، نتیجه انجام واکنش شیمیایی زیر است که یک واکنش شیمیایی منحصربهفرد از نوع اکسایش و کاهش است. این واکنشها به بیولومینسانس معروفاند که از طریق آنها این جانور و برخی جانوران دیگر به جفت خود پیام میدهند. واکنشدهنده در این واکنش شیمیایی، لوسیفرینِ کرم شبتاب و آنزیمی که این واکنش را کاتالیز میکند، لوسیفراز نام دارد.
با ساختار و شیوه کار سلول گالوانی آشنا شدید. سلولی که به دلیل تولید انرژی الکتریکی ویژگیهای یک باتری را دارد. با اینکه هر سلول گالوانی ولتاژ معینی دارد اما در آنها با تغییر هر یک از اجزای سلول، ولتاژ تغییر میکند. آیا میدانید این ولتاژ ناشی از چیست؟ چگونه میتوان آن را اندازه گیری کرد؟
اگر در سلول گالوانی بهجای لامپ، ولتسنج قرار گیرد، ولتاژی که ولت سنج در سلول گالوانی نشان میدهد، اختلاف پتانسیل میان دو نیم سلول است. کمیتی که به نیروی الکتروموتوری معروف است و با emf نمایش داده میشود. اینک میپرسید برای تعیین سهم هر یک از نیم سلولها در ولتاژ سلول چه باید کرد؟
اندازه گیری پتانسیل یک نیم سلول به طور جداگانه ممکن نیست و باید این کمیت به طور نسبی اندازه گیری شود. شیمیدانها برای دستیابی به این هدف، نیم سلول استاندارد هیدروژن (SHE) را به عنوان مبنا انتخاب کردند و پتانسیل آن را برابر با صفر در نظر گرفتند. در ادامه با تشکیل سلول گالوانی از هر نیم سلول با SHE توانستند پتانسیل بسیاری از نیم سلولها را اندازهگیری کرده و در جدولی ثبت کنند (جدول 1). این اندازهگیریها در دمای $25{}^\circ C$، فشار $1atm$ و غلظت یک مولار برای محلول الکترولیتها انجام شده است. در این شرایط پتانسیل اندازه گیری شده را پتانسیل استاندارد نیم سلول مینامند و با $E{}^\circ $ نمایش میدهند.
آیا میدانید
SHE شامل یک الکترود پلاتینی است که در محلولی با $pH=0$ و دمای $25{}^\circ C$ قرار دارد و گاز هیدروژن با فشار $1atm$ از روی آن عبور داده میشود.
همانگونه که مشاهده میکنید در این جدول، نیم واکنشها به شکل کاهش نوشته شدهاند و این پیشنهاد آیوپاک است که برای هماهنگی در منابع علمی معتبر به کار میرود. در هر نیم واکنش، گونه کاهنده در سیمت راست و گونه اکسنده در سمت چپ نوشته میشود. در این جدول علامت $E{}^\circ $ فلزهایی که قدرت کاهندگی بیشتری از ${{H}_{2}}$ دارند، منفی و علامت $E{}^\circ $ فلزهایی که قدرت کاهندگی کمتری از ${{H}_{2}}$ دارند، مثبت است.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 48 کتاب درسی)
با استفاده از جدول 1 مشخص کنید در سلول گالوانی ساخته شده از نقره و منیزیم:
آ) کدام الکترود آند و کدام کاتد خواهد بود؟ چرا؟
تیغه منیزیم الکترود آند است. چون هرچه پتانسیل منفیتر، قدرت الکتروندهی و کاهندگی بیشتر و نقش آند را بهتر ایفا میکند. و تیغه نقره نقش کاتد چون هرچه پتانسیل مثبتتر تمایل به گرفتن الکترون بیشتر و نقش کاتد را بهتر ایفا میکند.
ب) نیم واکنشهای انجام شده را بنویسید و واکنش کلی سلول را به دست آورید.
پیوند با ریاضی (صفحهٔ 48 کتاب درسی)
1- با مراجعه به جدول 1، هریک از جاهای خالی را پر کنید.
$E{}^\circ (.../Zn)=-...V$ و $E{}^\circ (C{{u}^{2+}}/...)=+...V$
${{E}^{{}^\circ }}(Z{{n}^{2+}}/Zn)=-0/76V$ و ${{E}^{{}^\circ }}(C{{u}^{2+}}/Cu)=+0/34V$
2- در سلول گالوانی تشکیل شده از دو نیم سلول بالا مشخص کنید کدام یک نقش آند و کدام یک نقش کاتد را دارد؟
چون $E{}^\circ Zn$ کوچکتری دارد، پس $Zn$ نقش آند و $Cu$ نقش کاتد را دارد.
3- شکل زیر سلول گالوانی استاندارد روی مس را نشان میدهد. با توجه به $emf$ این سلول مشخص کنید کدام رابطۀ زیر برای محاسبه این کمیت به کار رفته است؟ توضیح دهید.
(کاتد) $-E{}^\circ $ (آند) $emf=E{}^\circ $ (آند) $-E{}^\circ $ (کاتد) $emf=E{}^\circ $
کاتد ${{E}^{{}^\circ }}(C{{u}^{2+}}/Cu)=+0/34V$ و آند ${{E}^{{}^\circ }}(Z{{n}^{2+}}/Zn)=-0/76V$
$=+0/34-(-0/76)=1/1V$ (آند) $-{{E}^{{}^\circ }}$ (کاتد) $emf=E{}^\circ$ (صحیح)
$=-0/76-(+0/34)=-1/1V$ (کاتد) $-{{E}^{{}^\circ }}$ (آند) $emf=E{}^\circ$ (غلط)
4- در نمودار زیر هر خط رنگی نشان دهنده یک سلول گالوانی تشکیل شده از دو فلز را نشان میدهد. با توجه به جدول پتانسیل استاندارد به پرسشها پاسخ دهید.
آ) نخست برای هر سلول گالوانی، آند و کاتد را مشخص کرده سپس emf را حساب کنید و در جای خالی بنویسید.
آند $E{}^\circ (Z{{n}^{2+}}/Zn)=-0/76V$ $,$ کاتد $\Rightarrow E{}^\circ (A{{g}^{+}}/Ag)=+0/8V$ سلول نقره و روی
$=+0/8-(-0/76)=1/56V$ (آند) $-{{E}^{{}^\circ }}$ (کاتد) $emf=E{}^\circ$
آند $E{}^\circ (F{{e}^{2+}}/Fe)=-0/44V$ $,$ کاتد $\Rightarrow E{}^\circ (A{{g}^{+}}/Ag)=+0/8V$ سلول نقره و آهن
$=+0/8-(-0/44)=1/24V$ (آند) $-{{E}^{{}^\circ }}$ (کاتد) $emf=E{}^\circ$
آند $E{}^\circ (Z{{n}^{2+}}/Zn)=-0/76V$ $,$ کاتد $\Rightarrow E{}^\circ (C{{u}^{2+}}/Cu)=+0/34V$ سلول مس و روی
$=+0/34-(-0/76)=1/1V$ (آند) $-{{E}^{{}^\circ }}$ (کاتد) $emf=E{}^\circ$
ب) اگر چند نیم سلول در اختیار داشته باشید و بخواهید از آنها یک سلول گالوانی با بیشترین ولتاژ بسازید، از کدام نیم سلولها استفاده میکنید؟ چرا؟
نیمسلول نقره و منیزیم را استفاده میکنیم برای داشتن بیشترین $emf$ باید فاصلهٔ بین آند و کاتد در جدول $E{}^\circ $، بیشترین حد ممکن باشد، یعنی قویترین اکسنده با قویترین کاهنده.
آند $E{}^\circ (M{{g}^{2+}}/Mg)=-2/37V$ $,$ کاتد $\Rightarrow E{}^\circ (F{{e}^{2+}}/Fe)=+0/44V$ سلول آهن و منیزیم
$=-0/44-(-2/37)=2/81V$ (آند) $-{{E}^{{}^\circ }}$ (کاتد) $emf=E{}^\circ$
5- با استفاده از جدول 1، emf سلولی را حساب کنید که واکنش اکسایش - کاهش زیر در آن رخ میدهد.
$3Mg(s)+2A{{u}^{3+}}(aq)\to 3M{{g}^{2+}}(aq)+2Au(s)$
کاتد $E{}^\circ (A{{u}^{3+}}/Au)=+1/5V$ $,$ آند $\Rightarrow E{}^\circ (M{{g}^{2+}}/Mg)=-2/37V$ سلول منیزیم وطلا
$=+1/5-(-2/37)=+3/38V$ (آند) $-{{E}^{{}^\circ }}$ (کاتد) $emf=E{}^\circ$
با واکنشهای اکسایش - کاهش و کاربرد آنها در ساخت سلولهای گالوانی آشنا شدید. سلولهایی که میتوانند به عنوان باتری، منبع تولید انرژی الکتریکی باشند. باید توجه داشت که هر باتری ساختاری مناسب برای کاربردی معین دارد. در ادامه با برخی از آنها آشنا خواهید شد.
پیوند با زندگی
لیتیم، فلزی ارزشمند برای ذخیره انرژی الکتریکی
اگر به پیرامون خود توجه کنید وسایلی را مییابید که با باتری کار میکنند. ساعت مچی و تلفن همراه از جمله وسایلی هستند که انرژی الکتریکی آنها با استفاده از باتری تأمین میشود. باتریهایی که در شکل، اندازه و کارایی با یکدیگر تفاوت آشکاری دارند اما در همه آنها با انجام شدن نیم واکنشهای آندی و کاتدی، جریان الکتریکی در مدار بیرونی برقرار میشود.
با رشد و پیشرفت چشمگیر صنایع گوناگون هر روز نیاز و تقاضا پیوسته برای ساخت باتریها با ویژگیهای گوناگون و کاربرد معین افزایش یافته است. شیمیدانها در پی پاسخ به این نیازها طی پژوهشهای بسیاری توانستند به فناوری ساخت باتریهای جدید دست یابند. در این فناوری، نقش فلز لیتیم پررنگ است زیرا لیتیم در میان فلزها کمترین چگالی و $E{}^\circ $ را دارد. این ویژگیهای لیتیم سبب شد راه برای ساخت باتریهای سبکتر، کوچکتر و با توانایی ذخیره بیشتر انرژی هموار شود. باتریهای لیتیمی از نوع دگمهای در شکلها و اندازههای گوناگون به کار میرود. دستهای دیگر از باتریهای لیتیمی آنهایی هستند که در تلفن و رایانه همراه به کار میروند و میتوان آنها را بارها شارژ کرد (شکل 9).
افزایش تقاضا برای باتریهای لیتیمی، سبب شد این فلز جایگاه ممتازی در تأمین انرژی جهان پیدا کند به طوری که سالانه از میلیاردها باتری لیتیمی درون دستگاههای الکترونیک در سرتاسر جهان استفاده میشود و سرانجام این دستگاهها به همراه باتریهای درون خود به شکل پسماند دور ریخته میشوند. به این ترتیب حجم انبوهی از پسماندهای الکترونیکی مانند تلفن و رایانه همراه، باتریهای لیتیمی و... تولید میشود. این پسماندها به دلیل داشتن مواد شیمیایی گوناگون، سمی هستند و نباید در طبیعت رها یا دفن شوند زیرا محیط زیست را آلوده میکنند. از سوی دیگر برخی از این پسماندها به دلیل داشتن مقدار قابل توجهی از مواد و فلزهای ارزشمند و گران قیمت، منبعی برای بازیافت این مواد هستند.