پاورپوینت الکترودها و پیلهای الکتروشیمیایی

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

فصل اول

الكترودها و پيلهاي الكتروشيميايي

اسلاید 2 :

هدفهاي رفتاري فصل اول
بعد از مطالعه اين فصل بايد درک شود.
واكنشهايي كه در سطح يك الكترود اتفاق مي‏افتند .
ساختمان سطح مشترك الكترود ـ محلول.
معادلات شيميايي واكنشهاي اكسايش ـ كاهش در الكترودها .
پيلهاي گالواني به صورت دونيمه پيل.
طراحی پيلهاي گالواني مورد استفاده در اندازه‏گيري پتانسيل استاندارد الكترود را طراحي.
با استفاده از پتانسيلهاي استاندارد الكترود، محاسبه پتانسيل پيلهاي گالواني.
معادله نرنست و استفاده از آن برای محاسبه پتانسيل پيلها و فعاليت اجزاء محلول.
کتربرد معادله نرنست براي تعيين ثابت تعادل و جهت واكنش خود به ‏خودي، ثابت تفكيك اسيدها و بازهاي ضعيف، ثابت حاصلضرب حلاليت رسوبها، ثابت تشكيل و ثابت ناپايداري كمپلكسها و غيره .
منبع پتانسيل اتصال مايع.

چگونگي به حداقل رساندن پتانسيلهاي اتصال مايع.
مفهوم پتانسيلهاي فرمال الكترود.
عبارتهاي الكترود شناساگر و الكترود مرجع .
ساختمان الكترودهاي فلزي نوع اول، دوم و سوم.
ساختمان انواع الكترودهاي شاهد .
ساختمان چند الكترود pH سنجي.
قوانين IUPAC براي نمايش پيلهاي گالواني.
الكترودهاي غشايي و دسته‏بندي آنها .
عوامل مؤثر بر الكترودها و روشهاي استفاده بهينه از آنها

اسلاید 3 :

الكترود
براي عبور جريان الكتريكي از محلول الكتروليت، بايد دو هادي الكتريكي كه الكترود ناميده مي‏شوند، به درون محلول وارد شوند.
يك الكترود مي‏تواند سيم ساده‏اي از مس يا نقره و يا غشاء خاصي مانند الكترودهاي يون‏گزين (ISE) باشد.
با غوطه‏ور كردن قطعه تميزي از يك فلز درون محلول حاوي يونهاي آن فلز، براي مثال سيم مسي در محلول آبي سولفات مس، يك الكترود تشكيل مي‏شود. دراين صورت دو واكنش امكان‏پذير است.
ابتدا اتم فلز الكترون ازدست داده و به صورت يون درون محلول قرار مي‏گيرد.
M(s)Mn+(aq) + ne-
Mn+(aq) + ne- M(s)
M(s)Mn+(aq) + ne-

اسلاید 4 :

پيل گالواني و سلول الكتروليز
سيستمي كه شامل دوالكترود غوطه‏ور در محلول الكتروليت است يا به عنوان پيل گالواني و يا به عنوان سلول الكتروليز معروف است.
باطري‏ها به‏عنوان پيل گالواني و وان آبكاري به عنوان سلول الكتروليز، شناخته شده‏اند.
در پيل گالواني، بين دو الكترود اختلاف پتانسيل ايجاد مي‏شود و درنتيجه مولد جريان الكتريكي است، اما در سلول الكتروليز اختلاف پتانسيل از منبع بيروني به الكترودها اعمال مي‏شود.

اسلاید 5 :

سطح مشترك الكترود ـ محلول
درصورتي كه واكنش رفت بر واكنش برگشت غلبه كند، فلز نسبت به محلول داراي بار الكتريكي منفي خواهد شد، و اگر واكنش برگشت بر واكنش رفت غلبه كند، فلز نسبت به محلول داراي بار الكتريكي مثبت خواهد شد
اختلاف پتانسيلي در سطح مشترك الكترود ـ محلول ايجاد مي‏شود، كه پتانسيل الكترود (E) ناميده شده و مقدار آن نه‏تنها به ماهيت فلز، بلكه به فعاليت آن بستگي دارد.

اسلاید 6 :

آند و كاتد
الكترودي كه در آن اكسايش اتفاق مي‏افتد آند و الكترودي كه در آن كاهش اتفاق مي‏افتد كاتد ناميده مي‏شود.
در پيل گالواني آند الكترود منفي و كاتد الكترود مثبت است، ولي در سلول الكتروليز آند الكترود مثبت و كاتد الكترود منفي است.

اسلاید 7 :

واكنشهاي اكسايش ـ كاهش در الكترودها
واكنشهاي الكترودي مستلزم انتقال الكترون بين الكترود و گونه‏هاي موجود در محلول است.
اين واكنشها كه شامل انتقال بار الكتريكي يا الكترون از يك گونه به گونه ديگرند، واكنشهاي اكسايش ـ كاهش ناميده مي‏شوند.
واكنشي كه در آن يك گونه شيميايي الكترون از دست مي‏دهد، اكسايش ناميده مي‏شود. براي مثال، مس مي‏تواند دو الكترون از دست داده و به يون مس (II) تبديل شود،
Cu(s) Cu2+(aq) + 2e -

اسلاید 8 :

واكنشهاي اكسايش ـ كاهش در الكترودها
واكنشي كه در آن يك گونة شيميايي الكترون به دست مي‏آورد، كاهش ناميده مي‏شود. اين فرايند عكس اكسايش است،
Cu2+(aq) + 2e - Cu(s)
به هركدام از اين معادلات يوني، نيمه واكنش گويند. توجه كنيد كه تعداد الكترون ازدست داده‏شده توسط فلز با تعداد الكترون گرفته‏شده توسط يون، برابر‏است.

اسلاید 9 :

پيلهاي گالواني
پيل دانيل را مي‏توان به صورت دو نيمه پيل بررسي كرد، كه در آن هر نيمه پيل از يك الكترود و محلولي كه الكترود با آن در تماس است، تشكيل شده است. يك نيمه‏پيل از Cu2+/Cu تشكيل شده و در اين سيستم تمايل به كاهش دارد،
Cu2+(aq) + 2e -= Cu(s)
از طرف ديگر، الكترود روي تمايل به اكسايش دارد، و لذا نسبت به محلول بار الكتريكي خواهد داشت.
Zn(s) = Zn2+(aq) + 2e-

اسلاید 10 :

پيل دانيل
اين پيل شامل الكترود مس فرو برده شده در محلول يونهاي مس (II) والكترود روي فرو برده شده در محلول يونهاي روي (II) است.
ارتباط الكتريكي بين دو محلول با يك لوله U شكل وارونه كه داراي محلول پتاسيم كلريد است و پل نمكي ناميده مي‏شود برقرار مي‏شود.
ارتباط الكتريكي بين دو الكترود نيز با استفاده از سيم فلزي برقرار مي‏شود.
اختلاف پتانسيل بين دو الكترود توسط يك ولت‏سنج با مقاومت دروني زياد و يا قرار دادن وسيله مناسب ديگري در مدار اندازه‏گيري مي‏شود.

اسلاید 11 :

مدار ساده پيل دانيل
وقتي محلولها توسط پل نمكي به‏يكديگر وصل مي‏شوند، پتانسيل‏هاي آنها مساوي شده و در نتيجه سيستمي ايجاد مي‏شود كه مي‏توان آنرا به‏‏صورت مدار فوق معرفي كرد.
بنابراين، ولت‏سنج اختلاف پتانسيل بين دوالكترود را اندازه‏گيري مي‏كند.
درواقع، مدار شبيه به‏مواقعي است كه دوباطري بطور سري به‏هم وصل شده‏اند.

اسلاید 12 :

نماد گذاري IUPAC براي پيلها و الكترودها
مطابق قرارداد IUPAC مي‏توان آنها را با نمادهاي معيني نشان داد، كه روشي ساده براي شرح دادن اين پيلها است. براي مثال، پيل نشان دانيل را مي‏توان برطبق قرارداد به صورت زير نشان داد:
Zn/Zn2+ //Cu2+/Cu
اين نمادگذاري از الكترود سمت چپ (آند) شروع و پس از نوشتن محلولهاي هردو الكترود، به الكترود سمت راست (كاتد) ختم مي‏شود.
هر خط مورب نشانة يك مرز فازي و يك اختلاف پتانسيل است، درحاليكه دو خط مورب كنار هم، نشانة وجود پل نمكي و دو پتانسيل تماسي است كه در مباحث بعدي شرح داده خواهد شد.

اسلاید 13 :

نماد گذاري IUPAC
درصورتي كه فعاليت يونهاي موجود در الكتروليت‏ها معلوم باشد، اين پيل به صورت زير نمايش داده مي‏شود.
Zn/Zn2+( 1.0 M) //Cu2+ (1.0 M)/Cu

اسلاید 14 :

پتانسيل الكترود
اختلاف پتانسيل در يك نيمه پيل به پتانسيل الكترود معروف است و براي مقايسة همه پتانسيل‏هاي الكترودي، معمولاً براي آنها واكنشهاي كاهش را مي‏نويسند.
چون همه نيمه واكنشها به صورت كاهشي در جدول پتانسيل‏هاي كاهشي آمده‏اند، مي‏توان پتانسيل مربوط به نيمه واكنش كاهشي (Ea) را در يك علامت منفي ضرب كرده، تا پتانسيل براي نيمه واكنش اكسايش در آند به دست آيد و سپس آنرا با پتانسيل كاهشي الكترود كاتد جمع جبري كرد.

اسلاید 15 :

پتانسيل استاندارد الكترود
اندازه‏گيري پتانسيل در دماي 298K (25°C) انجام مي‏شود.
فعاليت همة مواد حل‏شده درالكتروليت، واحد (يا غلظت يك مولار) استفاده مي‏شود.
همة نيمه پيلها، نسبت به يك نيمه پيل استاندارد و مرجع، معروف به الكترود استاندارد هيدروژن2، اندازه‏گيري مي‏شوند.
پتانسيل الكترودي كه در اين شرايط اندازه‏گيري شود، پتانسيل استاندارد الكترود ناميده شده وE0 با علامت نمايش داده مي‏شود.

اسلاید 16 :

الكترود استاندارد هيدروژن (SHE)
طبق قرارداد، پتانسيل استاندارد الكترود هيدروژن صفر درنظر گرفته مي‏شود (همانطور كه سطح آب دريا به عنوان ارتفاع صفر و كوهها ارتفاع مثبت و بستر دريا ارتفاع منفي درنظر گرفته مي‏شود).

اسلاید 17 :

تغييرات نيروي الكتروموتوري با فعاليت اجزاء محلول
اگر فعاليت گونه‏هاي اكسنده و كاهنده از واحد تفاوت كند، پتانسيل الكترود نيز براي نيمه پيل از مقدار استاندارد تفاوت خواهد كرد.
معادله‏اي كه ارتباط بين پتانسيل پيل گالواني و فعاليت يونهاي شركت كننده در واكنش را بيان مي‏كند، توسط نرنست(Nernst) در سال 1889 ارائه شد، كه هنوز هم استفاده مي‏شود و مهمترين معادله در الكتروشيمي است.
aA + bB = cC + dD

اسلاید 18 :

معادلات نرنست براي واکنشهاي زیر به صورت زير نوشته مي‏شود
Cu2+ + 2e- = Cu
H2O2 + 2H+ + 2e - = 2H2O

اسلاید 19 :

كاربردهاي معادله نرنست
تعيين ثابت تعادل و جهت واكنش خود به خودي
محاسبه پتانسيل الكترود با استفاده از E0
تعيين ثابت تفكيك اسيدها و بازهاي ضعيف
تعيين ثابت حاصلضرب حلاليت
تعيين ثابت تشكيل و ثابت ناپايداري كمپلكس
محاسبه ثابت تعادل واكنشهاي اكسايش ـ كاهش

اسلاید 20 :

تعيين ثابت تعادل و جهت واكنش خود به خودي(مثال)
پيلي به‏صورت زيرمرتب‏ شده‏ است.
الف) واكنش پيل را بنويسيد. ب) نيروي الكتروموتوري پيل را محاسبه و قطبيت الكترودها را تعيين و جهت واكنش خود به خودي را مشخص كنيد. ج) ثابت تعادل واكنش اين پيل را به دست آوريد.