18: الکتروشیمی
- Page ID
- 216063
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)الکتروشیمی با واکنشهای شیمیایی که الکتریسیته تولید میکنند و تغییرات مرتبط با عبور جریان الکتریکی از ماده سر و کار دارد. واکنش ها شامل انتقال الکترون هستند و بنابراین واکنش های اکسایش و کاهش (یا ردوکس) هستند. بسیاری از فلزات ممکن است با استفاده از روش های الکتروشیمیایی خالص یا آبکاری شوند. دستگاه هایی مانند اتومبیل، تلفن های هوشمند، تبلت های الکترونیکی، ساعت، ضربان ساز و بسیاری دیگر از باتری ها برای برق استفاده می کنند. باتری ها از واکنش های شیمیایی استفاده می کنند که خود به خود الکتریسیته تولید می کنند و می توانند به کار مفید تبدیل شوند. تمام سیستم های الکتروشیمیایی شامل انتقال الکترون ها در یک سیستم واکنش دهنده هستند. در بسیاری از سیستم ها، واکنش ها در ناحیه ای به نام سلول رخ می دهد، جایی که انتقال الکترون ها در الکترودها اتفاق می افتد.
- 18.2: بررسی شیمی ردوکس
- جریان الکتریکی شامل بار متحرک است. بار ممکن است به صورت الکترون یا یون باشد. جریان از یک مسیر دایره ای شکسته یا بسته به نام مدار عبور می کند. جریان در نتیجه اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک مدار از یک محیط رسانا عبور می کند. پتانسیل الکتریکی دارای واحد انرژی در هر بار است. در واحدهای SI، بار بر حسب کولمب (C)، جریان بر حسب آمپر و پتانسیل الکتریکی بر حسب ولت اندازه گیری می شود.
- 18.3: سلول های گالوانیک
- سلول های الکتروشیمیایی به طور معمول از دو نیم سلول تشکیل شده اند. نیم سلول ها نیمه واکنش اکسیداسیون را از نیمه واکنش کاهش جدا می کنند و جریان را از طریق یک سیم خارجی ممکن می سازند. یک نیم سلول حاوی آند است. اکسیداسیون در آند رخ می دهد. آند در نیم سلول دیگر به کاتد متصل است. کاهش در کاتد رخ می دهد. افزودن پل نمکی مدار را کامل می کند که جریان را به جریان می اندازد.
- 18.4: پتانسیل الکترود و سلول
- اختصاص پتانسیل الکترود استاندارد هیدروژن (SHE) به عنوان صفر ولت اجازه می دهد تا پتانسیل های کاهش استاندارد، E°، برای نیمه واکنش ها در سلول های الکتروشیمیایی تعیین شود. همانطور که از نام آن پیداست، پتانسیل های کاهش استاندارد از حالت های استاندارد استفاده می کنند (1 bar یا 1 atm برای گازها؛ 1 M برای املاح، اغلب در 298.15 K) و به صورت کاهش نوشته می شوند (جایی که الکترون ها در سمت چپ معادله ظاهر می شوند).
- 5-18: پتانسیل، انرژی آزاد و تعادل
- کار الکتریکی منفی محصول کل بار (Q) و پتانسیل سلول (Ecell) است. بار کل را می توان به صورت تعداد مول الکترون ها (n) برابر ثابت فارادی (F = 96،485 C/mol e −) محاسبه کرد. کار الکتریکی حداکثر کاری است که سیستم می تواند تولید کند و بنابراین برابر با تغییر در انرژی آزاد است. بنابراین، هر چیزی که می تواند با یا به یک تغییر انرژی آزاد انجام شود، می تواند به یا با پتانسیل سلول نیز انجام شود.
- 18.6: باتری ها و سلول های سوختی
- باتری ها سلول های گالوانیک یا مجموعه ای از سلول ها هستند که جریان الکتریکی تولید می کنند. هنگامی که سلول ها به باتری ها ترکیب می شوند، پتانسیل باتری یک عدد صحیح چندگانه از پتانسیل یک سلول واحد است. دو نوع باتری اصلی وجود دارد: اولیه و ثانویه. باتری های اولیه «یکبار مصرف» هستند و نمی توانند دوباره شارژ شوند. سلول های خشک و (بیشتر) باتری های قلیایی نمونه هایی از باتری های اولیه هستند. نوع دوم قابل شارژ است و باتری ثانویه نامیده می شود.
- 18.7: خوردگی
- خوردگی تخریب یک فلز ناشی از یک فرایند الکتروشیمیایی است. هر ساله مبالغ زیادی پول برای ترمیم اثرات یا جلوگیری از خوردگی صرف می شود. برخی از فلزات مانند آلومینیوم و مس هنگام خوردگی در هوا یک لایه محافظ تولید می کنند. لایه نازکی که روی سطح فلز تشکیل می شود از تماس اکسیژن با بیشتر اتم های فلز جلوگیری می کند و بنابراین فلز باقیمانده را از خوردگی بیشتر «محافظت» می کند. آهن هنگام قرار گرفتن در معرض آب دچار خوردگی می شود (زنگ می زند)
- 18.8: الکترولیز
- استفاده از برق برای مجبور کردن یک فرآیند غیر خود به خودی، الکترولیز است. سلول های الکترولیتی سلول های الکتروشیمیایی با پتانسیل سلول منفی (به معنی انرژی آزاد گیبس مثبت) هستند و بنابراین غیر خود به خودی هستند. الکترولیز می تواند در سلول های الکترولیتی با معرفی یک منبع تغذیه رخ دهد، که انرژی را برای مجبور کردن الکترون ها به جریان در جهت غیر خود به خود فراهم می کند. الکترولیز در محلول هایی انجام می شود که حاوی یون های کافی هستند تا جریان بتواند جریان یابد.
- 18.12: تمرینات
- اینها تمرینات مشق شب برای همراهی با TEXTMAP است که برای «شیمی» توسط OpenStax ایجاد شده است. بانک های پرسش و پاسخ شیمی عمومی تکمیلی را می توان برای سایر نقشه های متنی یافت و می توان در اینجا مشاهده کرد. علاوه بر این سوالات در دسترس عموم، دسترسی به بانک مشکلات خصوصی برای استفاده در امتحانات و تکالیف تنها به صورت فردی در دسترس است؛ لطفا با Delmar Larsen برای یک حساب کاربری با مجوز دسترسی تماس بگیرید.