کمیکار - جلسه دوم

اهداف:

آشنایی با الکتروشیمی مورد نیاز کمیکار، آشنایی با اصول الکتروشیمی، نحوه عمکلرد باطری(پیل)

وسایل مورد نیاز: -------

1: تاریخچه
برای شروع بحث بهتر است ابتدا به بررسی تاثیر ایرانیان بر الکتروشیمی پرداخته شود. این تاثیر را می توان در پیل بغدادی در زمان اشکانیان مشاهده کرد.
1-1: پیل بغدادی
در سال 1936، در نزدیکی خط آهن منطقه Khujut Rabu واقع در شمال بغداد، شی ای کشف شد که گمان می شود یک باطری الکترونیکی مربوط به 2000 سال پیش باشد. این باطری ها در قبوری که که مربوط به دوره اشکانیان است، از خاک خارج شده اند. این ظروف گلی از جنس خاک رس بوده که طولی در حدود 14 سانتی متر و قطر 4 سانتی متر، و دهانه 3.3 سانتی متری داشتند. در درون آنها یک تکه مس به صورت ورق به طول حدود 10 سانتیمتری، میله ای از جنس آهن به طول 7/5 سانتی متر در مرکز و مقداری قیر قرار دارد ( تصویر2-1). قیر برای بستن دهانه های بالایی و پایینی لوله مسی و همچنین نگه داشتن میله آهنی در مکان خود در مرکز استوانه است.

تصویر2-1: ابعاد پیل بغدادی

استفاده از قیر جهت آب بندی نشان می دهد که این ظروف حاوی یک مایع بوده است که با توجه به خوردگی ورق مس، پیش بینی می شود که این مایع ماهیتی اسیدی داشته که شاید سرکه یا شراب بوده باشد. نمونه های دیگری نیز در شهرهای Ctesiphon و Seleucia کشف گردید.

تصویر2-2: نمایی از نحوه قرار گیری اجزا گیل بغدادی

در سال 1938، یک باستان شناس آلمانی به نام ویلیام کونیگ (Wilhem Konig)، به این پدیده پی برد که این ظروف بسیار شبیه به سل های گالوانیکی و باطری های مدرن است. او مقاله ای منتشر کرد و در آن به این گمانه پرداخت که احتمالا این ظروف برای آبکاری طلا بر روی اشیایی نقره ای استفاده می شده است.

او هم چنین پیش بینی کرد که احتمالا چندین ظرف برای افزایش خروجی به هم متصل می شده اند. در سال 1978، دکتر آرن اگ برشت(Arne eggerbrecht)، یک پیل بغدادی را با محلول الکترولیتی آب انگور، بازسازی کرد. این پیل ولتاژی در حدود 0/87 ولت ایجاد می کرد که برای آبکاری طلا با ضخامت 0/1 میکرومتر طلا بر روی نقره کفایت می کند.

تئوری دیگری که مطرح شده است، کاربرد پزشکی این باطری ها می باشد. نوشته های یونانی و رومی نشان می دهد که مرزهای دانش آن دوران، به شناخت اولیه الکتریسته رسیده بوده است. برای مثال نویسنده های یونانی از اعمال الکتریسیته به وسیله مار ماهی برای بی حس کردن سخن گفته اند.

هم چنین انواع کاربرد دیگر نیز برای الکتریسیته ذکر گردیده است، اما مشکل اصلی این پیل ها که باور آنکه این پیل ها جهت کاربرد پزشکی مورد استفاده قرار می گرفته اند را سخت می کند، ولتاژ بسیار پایین آنها می باشد.
نظریه دیگر در زمینه کاربرد این پیل ها توسط یک متخصص فلزشناسی انگلیسی به نام پاول کراداک(Paul Craddock) ارایه گردید. وی بیان کرد که احتمالا با متصل کرد چندین پیل به به صورت سری به هم که به طور پنهانی به یک مجسمه فلزی اتصال داشته اند، می توانستند ایجاد یک نیروی ماورایی را بر روی شخصی که با مجسمه تماس داشته را ایجاد کنند. این نیرو موجب القا قدرت پرسشگر به شخص در تماس شده و می توانسته کاربرد متفاوتی داشته باشد.

1-2: نتایج کار ولتا
اما اولین دانش در مورد پیل در سال 1800 توسط الساندرو ولتا، فیزیکدان ایتالیایی ارایه گردید. کار ولتا بر روی نتایج کار گالوانی، استاد تشریح دانشگاه بولونی که سعی در یافتن موادی در بدن قورباغه داشت که خواص الکتریکی تولید می کند آغاز گردید. گالوانی با بررسی رفتار عضله قورباغه در آب و هوای متفاوت بر پایه تحقیقات دانشمندان دیگر به این نتیجه رسیده بود که در بدن موجودات عنصری برای تولید الکتریسیته وجود دارد، اما نتایج تحقیقات وی بر روی قورباغه در آب و هوای معمولی نتیجه نمی داد. ولتا، با بیان اینکه الکتریسته از برهمکنش الکتریکی بین دو فلز به وجود می آید و بدن موجود زنده شرایط این برهم کنش را فراهم می کند، نظریه خود را مطرح کرد. نتیجه کوشش ولتا بر روی نظریه خود منجر به پایه گذاری اصول الکتروشیمی گردید.

تصویر2-3: تصاویری از گالوانی و ولتا

2:تعاریف الکتروشیمی

الکتروشیمی: در مورد تبادلات الکترونی و تولید الکتریسیته و یا مصرف آن در ضمن انجام واکنش شیمیایی صحبت می کند.
الکترود: میله ای از جنس ی فلز است که در محلول کاتیون خودش قرار دارد.

تصویر2-4: الکترود روی در داخل محلول روی سولفات

کاتیون: به یون مثبت یک عنصر کاتیون آن عنصر گویند. به عبارت دیگر اگر عنصر الکترون از دست بدهد، تبدیل به یون مثبت می شود و کاتیون آن عنصر را تشکیل می دهد.
آنیون: به یون مثبت یک عنصر آنیون آن عنصر گویند. به عبارت دیگر اگر عنصر اکترون بگیرد، تبدیل به یون منفی می شود و آنیون آن عنصر را تشکیل می دهد.
الکترود استاندارد: چنانچه محلول کاتیون (مانند روی سولفات در تصویر بالا) اطراف تیغه فلزی یک مولار باشد، الکترود استاندارد است.(بر مطالعه در مورد مولار به بخش 3 مراجعه نمایید)
مفهوم اختلاف پتانسیل استاندارد یا پتانسیل الکترودی: هنگامی که الکترود را در محلول کاتیون یک مولار خودش قرار می دهیم، تیغه شروع به واکنش کرده که نتیجه آن جدا شدن اتم های فلزی از تیغه و آزاد شدن الکترون از اتم ها و تشکیل یون های مثبت است. الکترون ها بر سطح تیغه فلزی می روند و آنرا منفی می کنند و یون های مثبت در محلول پراکنده می شوند. میان محلول مثبت شده و تیغه منفی شده، اختلاف پتانسیلی برقرار می شود که به آن E0 گویند.
الکترود استاندارد هیدروژنSHE: تیغه از جنس پلاتین است که در محلول 1 مولار HCl (هیدروکلریک اسید) قرار می گیرد و گاز H₂ با فشار یک اتمسفر از روی آن عبور کرده و E0 چنین الکترودی را در هر دمایی برابر صفر می گیریم.

تصویر2-5: الکترود استاندارد هیدروژن در سمت چپ

3:محاسبه اختلاف پتانسیل پیل

اگر یک پیل را از طریق یک الکترود و الکترود استندارد هیدروژن ایجاد کنیم، 2 امکان وجود خواهد داشت:
الکترون ها از تیغه فلزی به سمت SHE جابجا گردد.
الکترون ها از SHE به سمت تیغه فلزی جابجا گردد.
نکته: برای بدست آوردن ولتاژ پیل باید از رابطه زیر استفاده کرد:

اگر حالت 1 رخ دهد؛

که برابر صفر است. بنابراین E⁰ پیل منفی بوده و آنچه مشاهده می شود E تیغه فلزی است.( E⁰ آن الکترود منفی خواهد بود)
اگر حالت 2 رخ دهد؛

که باز این مقدار برابر صفر است بنابراینE⁰پیل مثبت بوده و برابر E این تیغه فلزی خواهد بود. .( E⁰آن الکترودمثبت خواهد بود).
با توجه به مقدار E⁰ و علامت برای هر عنصر، جدولی تهیه گردیده است که با نام جدول کاتدی آن را می شناسیم و فایل پیوست قرار دارد.

4:پیل الکتروشیمیایی

با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی، تولید برق می کند و این واکش خود به خودی است. هر پیل دارای 2 قطب است: آند و کاتد
آند: سر منفی پیل است و طرفی است که E⁰ کوچک تری دارد و به همین دلیل آند و دهنده الکترون است. ( به محض آنکه پیل شروع بکار کند، تیغه آند شروع به خورده شدن می کند و الکترون آزاد می گردد)

الکترون ها از روی تیغه پیل حرکت کرده و از طریق سیم رابط به ولت سنج می رسد و ولتاژ پیل اندازه گیری می شود و در ادامه مسیر، الکترون ها به فلز کاتد می رسند و از این طریق جذب کاتیون اطراف کاتد می شوند.

تصویر2-6: کارکرد پیل روی-مس

همان طور که در شکل بالا قابل مشاهده است، آند یعنی روی(Zn) شروع به کاهش وزن و کاتد آن یعنی مس(Cu)، افزایش جرم می دهند که این افزایش جرم متناسب با ضرایب استوکیومتری واکنش پیل است.
همانطور که از جدول کاتدی قابل مشاهده است، هر کدام از 2 سر آندی و کاتدی پیل اختلاف پتانسیل خود را دارند که در شکل زیر قابل مشاهده است.

تصویر2-7: اختلاف هر یک از دو سر آندی و کاتدی پیل

5:پل نمکی

قبل از اینکه پیل شروع به کار کند در الکترود های آن تعادل یونی برقرار است و به محض شروع به کار در زمان بسیار کوتاه، این تعادل برهم می خورد که نتیجه آن کاهش ولتاژ و از کار افتادن پیل است. در طرف آند، تولید یون مثبت را خواهیم داشت و در طرف کاتد با جذب یون مثبت، تراکم الکترون روی تیغه بالا می رود.
منفی شدن محلول اطراف کاتد موجب می شود تا الکترون ها به خوبی وارد این محلول نگردند و به تدریج حرکت الکترون ها در مدار مختل شده تا جایی که به صفر می رسد.
پل نمکی لوله ای است U شکل که در آن محلول سیر شده پتاسیم نیترات(KNO₃) یا پتاسیم کلرید(KCl) در انتهای لوله با در پوش های متخلل پوشیده شده است که وظیفه آن را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
1-کاتیون ها را از اطراف آند به سمت کاتد ببرد،
2- آنیون ها را از طرف کاتد به سمت آند ببرد.
در نتیجه این عمل از تراکم بار منفی در اطراف کاتد جلوگیری می گردد و جریان الکتریکی دچار اختلال نمی گردد.

تکلیف1: انواع باطری هایی که می شناسید را با هم مقایسه کنید و تفاوت ولتاژ و آمپراژ آن را بیابید؟

تکلیف 2: در باطری های موبایل از چه فلزی استفاده می شود؟ علت آن چیست؟

تکلیف 3: با تغییر الکترود، کدوم خصوصیت باطری تغییر می کند؟

منبع مطالعه: تاریخ گمشده، برایان هاتون، انتشارات نیوپیج بوک
شیمی عمومی 2، چالز مورتیمر، ترجمه عیسی یاوری، ویرایش ششم، انتشارات نشر علوم دانشگاهی، فصل 20

محل بازدید/ اردو/ خرید: برای این جلسه می توانید به یک باطری فروشی خودرو سر بزنید و از نحوه کار یک باطری خودرو اطلاع کسب کنید.