درسنامه آموزشی شیمی هنرستان

- آیا می‌توان از واکنش‌های شیمیایی، الکتریسیته تولید کرد؟

- چگونه می‌توان از زیان‌های اقتصادی ناشی از خوردگی فلزات جلوگیری کرد؟

در حدود 2000 سال پیش، ایرانیان باستان از قرار دادن دو فلز آهن و مس در محلولی از نمکِ خوراکی در درون ظرف‌های سفالی، دستگاهی برای تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی ساختند و از آن برای آبکاری ظروف فلزی استفاده می‌کردند (شکل 1).

اواخر قرن هجدهم میلادی، مشاهدات لوئیجی گالوانی هنگام انقباض عضلۀ قورباغه باعث شهرت الکتروشیمی شد. آلساندرو ولتا (1800) خیلی زود مشاهدات گالوانی را تأیید کرد. این دو دانشمند همان فلزهایی را برای ساختن باتری و تولید جریان الکتریکی به کار بردند که ایرانیان باستان از آنها استفاده کرده بودند.

امروزه از الکتروشیمی در ساخت باتری‌ها، برق کافت، آبکاری و جلوگیری از خوردگی فلزها و همچنین برای بررسی واکنش‌های اکسایش - کاهش استفاده می‌شود.

واکنش‌های اکسایش و کاهش

در قدیم، اکسایش و کاهش را بر اساس مبادلۀ اکسیژن و هیدروژن تعریف می‌کردند و ترکیب فلزات با اکسیژن را اکسایش می‌نامیدند (شکل 2). اما از آنجا که این تعاریف، تمام واکنش‌های اکسایش - کاهش را که با مبادلۀ این دو عنصر همراه نیستند، در برنمی‌گیرد، امروزه واکنش‌ها را بر اساس انتقال الکترون تعریف می‌کنند.

اگر تیغه ای از فلزِ روی را در محلولی از مس ($II$) قرار دهیم، مشاهده خواهیم کرد که الکترون‌ها از اتم‌های روی به یون‌های مس موجود در محلول منتقل شده و بر رویِ تیغه، رسوب می‌کنند (شکل 3).

در نتیجۀ این عمل، واکنش زیر اتفاق می‌افتد. محلول دارای یون‌های $C{{u}^{2+}}$ آبی رنگ است، بنابراین با انجام این واکنش و از بین رفتن $C{{u}^{2+}}(aq)$، به‌تدریج رنگ آبی محلول کم‌رنگ‌تر می‌شود:

$Zn(s)+C{{u}^{2+}}(aq)+Cu(s)$

بر این اساس می‌توان، اکسایش را شاملِ از دست دادن الکترون و کاهش را شاملِ گرفتن الکترون دانست:

اکسایش اتم روی      $Zn(s)Z{n^{2 + }}(aq) + 2e$

کاهش یون مس   $C{u^{2 + }}(aq) + 2eCu(s)$

همان‌طور که از معادلات نشان داده شده بر می‌آید، واکنش‌های اکسایش - کاهش را می‌توان به دو نیم واکنش تفکیک کرد. نیم واکنشی که از دست دادن الکترون را نشان می‌دهد، نیم واکنش اکسایش و نیم واکنشی که به دست آوردن الکترون را نشان می‌دهد، نیم واکنش کاهش نامیده می‌شود. این دو نیم واکنش هم‌زمان رخ می‌دهند و باید، هم از نظر تعداد اتم‌ها و هم از نظر بار الکتریکی موازنه باشند.

سلول‌های الکتروشیمیایی

واکنش‌های شیمیایی، اغلب ماهیت الکتریکی دارند و آنچه شیمی و الکتریسیته را به هم پیوند می‌زند، الکترون است. الکترون، ذره‌ای با بار الکتریکی منفی است که از جایی به جایی دیگر انتقال می‌یابد و جریان الکتریسیته را به‌وجود می‌آورد.

واکنش‌های الکتروشیمیایی در سلول‌های الکتروشیمیایی انجام می‌گیرد که از نیم سلول اکسایش، نیم‌سلول کاهش، رسانای خارجی (مدار بیرونی) و رسانای داخلی (محلول الکترولیت) تشکیل شده‌اند. سلول‌های الکترو شیمیایی به دو دسته تقسیم می‌شوند، در یک نوع از این سلول‌ها، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و به سلول‌های گالوانی یا ولتایی معروف هستند.

در این نوع سلول‌های الکتروشیمیایی، در نتیجۀ انجام واکنش الکتروشیمیایی، الکترون‌ها در مدار بیرونی جریان می‌یابند و الکتریسیته تولید می‌شود. شکل 4، باتری اتومبیل‌ها را به عنوان نمونه‌ای از سلول‌های الکتروشیمیایی، نشان می‌دهد. امروزه، زندگی کردن بدون حضور سلول‌های الکتروشیمیایی، قدری سخت به نظر می‌رسد (چرا؟).

سلول الکتروشیمیایی روی - مس را در شکل 5 می‌بینید. در این سلول که یک واکنش اکسایش - کاهش صورت می‌گیرد، الکترون‌ها در مدار بیرونی، از سمت روی به سمت مس جریان می‌یابند و اگر در مسیر آن لامپی قرار گیرد، روشن می‌شود.

شیمی‌دان‌ها برای آنکه قدرت الکترون‌گیری عنصرها را نسبت به یکدیگر نشان دهند از داده‌های جدول سری الکتروشیمیایی استفاده می‌کنند. در این سری، عنصری که بالاتر قرار گرفته باشد تمایل بیشتری برای از دست دادن الکترون دارد.

دستۀ دیگری از سلول‌های الکتروشیمیایی را سلول‌های الکترولیتی می‌نامند. در این سلول‌ها، انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود.

یک سلول الکترولیتی شامل دو الکترود است که در یک محلول قرار می‌گیرند و یک باتری (منبع تغذیه) که در مدار دستگاه قرار می‌گیرد و مانند پمپ عمل می‌کند. باتری با صرف انرژی الکتریکی، الکترون‌های لازم را از الکترود مثبت (آند) دستگاه دریافت می‌کند و به الکترود منفی (کاتد) روانه می‌سازد. سلول‌های الکترولیتی برای برق کافت، آبکاری فلزها و جداکردن ناخالصی‌ها از فلزها به کار می‌روند.

در این سلول الکتروشیمیایی که به کمک جریان برق واکنش الکتروشیمیایی صورت می‌گیرد، مس به عنوان آند عمل می‌کند و اکسایش می‌یابد و یون‌های روی، در کاتد کاهش می‌یابند. این سلول را با سلول الکتروشیمیایی شکل 5 مقایسه کنید.

برق‌کافت

تجزیۀ یک ماده به وسیلۀ جریان برق را برق کافت گویند. ظرف «برق‌کافت»، نوعی سلول الکترولیتی است که انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند. فرایند برق‌کافت شامل یک نیم واکنش اکسایش و یک نیم واکنش کاهش است که به ترتیب در مجاورت قطب‌های آند و کاتد دستگاه انجام می‌شوند. شکل 7، برق کافت سدیم کلرید مذاب را نشان می‌دهد.

واکنش‌هایی که در این سلول انجام می‌گیرد به قرار زیر است:

$2C{{l}^{-}}(l)\to C{{l}_{2}}(g)+2{{e}^{-}}$

$2N{{a}^{+}}(l)+2{{e}^{-}}\to 2Na(l)$
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

$2N{{a}^{+}}(l)+2C{{l}^{-}}(l)\to 2Na(l)+C{{l}_{2}}(g)$

شکل صفحۀ پایین، برق‌کافت آب را نشان می‌دهد که طی آن، آب به عنصرهای هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود. چون تنها گونۀ موجود در ظرف، مولکول‌های ${{H}_{2}}O$ هستند، هم در نیم واکنش اکسایش و هم در نیم واکنش کاهش شرکت می‌کنند و به ترتیب گازهای اکسیژن و هیدروژن تولید می‌شوند (شکل 8).

نیم ‌واکنش اکسایش:

$6{{H}_{2}}O\,(l)\to {{O}_{2}}(g)+4{{H}_{3}}O_{(aq)+4e}^{+}$

نیم واکنش کاهش:

$4{{H}_{2}}O\,(l)+4e\to 2{{H}_{2}}(g)+4OH_{(aq)}^{-}$

آبکاری فلزها

آبکاری، از کاربردهای سلول‌های الکترولیتی است. در این عمل، به کمک یک سلول الکترولیتی لایۀ نازکی از یک فلز بر روی یک جسم پوشانده می‌شود.

فلز پوشاننده در قطب مثبت (آند) و جسمی که باید روکش روی آن ایجاد شود در قطب منفی (کاتد) قرار می‌گیرد. در این فرایند، الکترولیت مورد استفاده، باید دارای یون‌های فلزی باشد که قرار است لایۀ نازکی از آن روی جسم دیگر ایجاد شود. شکل پایین، سلول الکترولیتی ساده‌ای را نشان می‌دهد که از آن برای آبکاری با نقره بر روی قاشق آهنی استفاده می‌شود.

خوردگی آهن

آهن فلزی است که علاوه بر کاربردهای صنعتی بسیار مهم، به عنوان کاتالیزگر، در واکنش‌هایی مانند واکنش تولید آمونیاک به کار می‌رود و معمولا در ترکیبات، به‌صورت یون‌های +2 و +3 وجود دارد. ترکیب‌های آهن رنگی‌اند، نمک‌های آهن ($II$) به رنگ سبز روشن و نمک‌های آهن ($III$) زرد یا قهوه‌ای رنگ‌اند.

یکی از مباحث بسیار مهم علمی، فنی و اقتصادی،که حدود یک صد سال اخیر مورد توجه عده‌ای از پژوهشگران قرار گرفته است و مطالعات زیادی بر روی آن انجام گرفته، موضوع خوردگی، به‌ویژه خوردگی فلزات است.

در سری الکتروشیمیایی، جایگاه سه فلز طلا، پلاتین و پالادیم پایین‌تر از اکسیژن است ولی جایگاه آهن و سایر فلزها از اکسیژن بالاتر است. از این رو، اکسیژن می‌تواند همۀ فلزها، به‌جز این سه فلز را، به طور خود به خودی اکسید کند (شکل 10).

آهن در مجاورت رطوبت و هوا خورده می‌شود و خوردگی آن توسط اسیدها و بر اثر تماس با فلزهایی نظیر قلع یا مس،که فعّالیت شیمیایی آنها کمتر است، تسریع می‌گردد.

یک قطعه آهن به طور یکنواخت خورده نمی‌شود، بلکه بعضی محل‌ها در سطح فلز، بیشتر خورده می‌شوند و حفره‌های عمیقی را به وجود می‌آورند. زنگ زدن آهن یک فرایند الکترو شیمیایی است. قسمت‌هایی از سطح فلز به واسطۀ وجود ناخالصی‌ها، فشار یا عوامل دیگر که فعّالیت شیمیایی فلز را تغییر می‌دهند، از قسمت‌های دیگر الکترون می‌گیرند. چنانچه الکترون‌ها از محلی در سطح فلز به محل دیگر مهاجرت کنند، محل اول پایگاه آندی و محل دوم پایگاه کاتدی خواهد بود و به این ترتیب سلول الکتروشیمیایی کوچکی به وجود می‌آید و نیم واکنش‌های اکسایش کاهش رخ می‌دهند (شکل 11).

راه‌های جلوگیری از خوردگی آهن

پژوهشگران با تکیه بر اطلاعات و نتایج تحقیقات، به کاربرد و اجرای طرح‌ها و روش‌هایی برای جلوگیری از خوردگی می‌پردازند. برای جلوگیری از زنگ‌زدن آهن، باید آن را از رطوبت و هوا، توسط پوششی از رنگ، گریس یا فلز دیگری دور نگه داریم یا فعّالیت شیمیایی آهن را با تشکیل آلیاژ، پایین بیاوریم. اگر آهن به فلز دیگری مانند منیزیم، روی یا آلومینیوم متصل شود، سلولی تشکیل می‌دهد که در آن سلول، آهن نقش کاتد را دارد و سالم می‌ماند و فلز دیگر اکسید می‌شود، در این صورت گفته می‌شود که آهن حفاظت کاتدی شده است.

آنچه آموختیم در یک نگاه