7.11: خلاصه
- Page ID
- 216220
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)واکنش های ردوکس با تغییر در اعداد اکسیداسیون واکنش دهنده تعریف می شوند و آنهایی که بیشتر مربوط به الکتروشیمی هستند شامل انتقال واقعی الکترون ها می شوند. فرآیندهای ردوکس فاز آبی اغلب شامل آب یا یون های مشخصه آن، H + و OH - هستند، به عنوان واکنش دهنده ها علاوه بر اکسیدان و کاهش دهنده، و معادلات نشان دهنده این واکنش ها می تواند برای تعادل چالش برانگیز باشد. روش نیمه واکنش یک رویکرد سیستماتیک برای متعادل کردن چنین معادلاتی است که شامل درمان جداگانه ای از نیمه واکنش های اکسیداسیون و کاهش است.
سلول های گالوانیک دستگاه هایی هستند که در آن یک واکنش ردوکس خود به خودی به طور غیر مستقیم رخ می دهد، با زوج های اکسید کننده و کاهش دهنده ردوکس موجود در نیمه سلول های جداگانه. الکترون ها از طریق یک مدار خارجی از احیا کننده (در نیم سلول آند) به اکسیدان (در نیم سلول کاتد) منتقل می شوند و یون های فاز محلول بی اثر بین نیم سلول ها، از طریق یک پل نمکی، برای حفظ خنثی بودن بار منتقل می شوند. ساخت و ترکیب یک سلول گالوانیک ممکن است به طور خلاصه با استفاده از فرمول های شیمیایی و دیگر نمادها به صورت یک طرح سلولی (نماد سلولی) نشان داده شود.
خاصیت پتانسیل، E، انرژی مرتبط با جداسازی/انتقال بار است. در الکتروشیمی، پتانسیلهای سلولها و نیمسلولها کمیتهای ترمودینامیکی هستند که نیروی محرکه یا خودانگیختگی فرایندهای ردوکس آنها را منعکس میکند. پتانسیل سلول یک سلول الکتروشیمیایی تفاوت بین کاتد و آند آن است. برای اجازه به اشتراک گذاری آسان داده های پتانسیل نیم سلولی، الکترود استاندارد هیدروژن (SHE) پتانسیل دقیقا 0 V اختصاص داده شده و برای تعریف یک پتانسیل الکترود واحد برای هر نیم سلول داده شده استفاده می شود. پتانسیل الکترود یک نیم سلول، E X، پتانسیل سلولی نیم سلول گفته شده است که هنگام اتصال به SHE که به عنوان آند عمل می کند، به عنوان کاتد عمل می کند. هنگامی که نیم سلول تحت شرایط استاندارد عمل می کند، پتانسیل آن پتانسیل الکترود استاندارد، E° X است. پتانسیل الکترود استاندارد نشان دهنده قدرت اکسیداسیون نسبی واکنش دهنده نیمه واکنش است، با اکسیدان های قوی تر نشان دهنده مقادیر بزرگتر (مثبت تر) E° X است. جدول بندی پتانسیل الکترود استاندارد ممکن است برای محاسبه پتانسیل سلول استاندارد، سلول E °، برای بسیاری از واکنش های ردوکس استفاده شود. علامت محاسباتی پتانسیل سلولی نشان دهنده خودانگیختگی واکنش سلولی است، با مقادیر مثبت برای واکنش های خود به خود و مقادیر منفی برای واکنش های غیر خود به خودی (خود به خودی در جهت معکوس).
پتانسیل یک کمیت ترمودینامیکی است که نیروی محرکه ذاتی یک فرآیند ردوکس را منعکس می کند و مستقیماً با تغییر انرژی آزاد و ثابت تعادل برای فرآیند مرتبط است. برای فرآیندهای ردوکس که در سلول های الکتروشیمیایی اتفاق می افتد، حداکثر کار (الکتریکی) انجام شده توسط سیستم به راحتی از پتانسیل سلول و استوکیومتری واکنش محاسبه می شود و برابر با تغییر انرژی آزاد برای فرآیند است. ثابت تعادل برای یک واکنش ردوکس از نظر لگاریتمی با پتانسیل سلول واکنش مرتبط است، با پتانسیل های بزرگتر (مثبت تر) که نشان دهنده واکنش هایی با نیروی محرکه بیشتر است که وقتی واکنش به سمت تکمیل پیش رفته است متعادل می شوند (مقدار زیاد K). در نهایت، پتانسیل یک فرآیند ردوکس با ترکیب مخلوط واکنش متفاوت است، که مربوط به پتانسیل استاندارد واکنش و مقدار ضریب واکنش آن، Q، همانطور که توسط معادله Nernst توضیح داده شده است.
سلول های گالوانیک که به طور خاص برای عملکرد به عنوان منبع تغذیه الکتریکی طراحی شده اند، باتری نامیده می شوند. انواع مختلفی از باتری های یکبار مصرف (سلول های اولیه) و باتری های قابل شارژ (سلول های ثانویه) به صورت تجاری برای خدمت به انواع برنامه های کاربردی، با مشخصات مهم از جمله ولتاژ، اندازه و طول عمر در دسترس هستند. سلول های سوختی، گاهی اوقات باتری های جریان نامیده می شوند، دستگاه هایی هستند که انرژی واکنش های ردوکس خود به خودی را به طور معمول با فرایندهای احتراق مرتبط می کنند. مانند باتری ها، سلول های سوختی انتقال الکترون واکنش را از طریق یک مدار خارجی امکان پذیر می کنند، اما آنها نیاز به ورودی مداوم واکنش دهنده های ردوکس (سوخت و اکسیدان) از یک مخزن خارجی دارند. سلول های سوختی به طور معمول در تبدیل انرژی آزاد شده توسط واکنش به کار مفید در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی بسیار کارآمدتر هستند.
اکسیداسیون خود به خودی فلزات توسط فرآیندهای الکتروشیمیایی طبیعی، خوردگی نامیده می شود، نمونه های آشنا از جمله زنگ زدگی آهن و لکه دار شدن نقره. فرآیند خوردگی شامل ایجاد یک سلول گالوانیک است که در آن سایت های مختلف روی جسم فلزی به عنوان آند و کاتد عمل می کنند و خوردگی در محل آندی اتفاق می افتد. رویکردهای جلوگیری از خوردگی فلزات شامل استفاده از پوشش محافظ روی (گالوانیزه) و استفاده از آندهای قربانی متصل به جسم فلزی (حفاظت کاتدی) است.
فرآیندهای ردوکس غیر خود به خودی ممکن است مجبور شوند در سلول های الکتروشیمیایی با استفاده از یک پتانسیل مناسب با استفاده از یک منبع قدرت خارجی - فرآیند شناخته شده به عنوان الکترولیز رخ دهد. الکترولیز پایه ای برای فرآیندهای تصفیه سنگ معدن خاص، تولید صنعتی بسیاری از کالاهای شیمیایی و آبکاری پوشش های فلزی بر روی محصولات مختلف است. اندازه گیری جریان جریان در طی الکترولیز اجازه محاسبات استوکیومتری را می دهد.