از انتقال الکترون تا آبکاری
پایهٔ ۱۲ · فصل ۲آند و کاتد را با واکنش تعریف کن.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
عدد اکسایش ابزار حسابداری الکترون در ترکیبهاست؛ با بار واقعی همه اتمها یکسان نیست. عدد اکسایش عنصر آزاد صفر و مجموع عددها در گونه خنثی صفر است. افزایش عدد اکسایش نشانه اکسایش و کاهش آن نشانه کاهش است. برای یون چنداتمی، مجموع عددهای اکسایش برابر بار کل یون میشود.
عدد اکسایش قراردادی برای حسابداری الکترون است؛ در پیوند کووالانسی لزوماً بار یونی کامل واقعی روی اتم نیست.
کاهنده به گونه دیگر الکترون میدهد و خودش اکسایش مییابد. اکسنده الکترون میگیرد و خودش کاهش مییابد. در Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu، روی کاهنده و یون مس اکسنده است. نام عامل از اثری که روی دیگری میگذارد میآید؛ همین موضوع منشأ اشتباه معمول است. در واکنش خالص، تعداد الکترون ازدسترفته و گرفتهشده برابر است.
اکسنده الکترون میگیرد و خودش کاهش مییابد؛ نام آن اثرش بر ماده مقابل را بیان میکند.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
در سلول گالوانی، واکنش خودبهخودی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. روی در آند اکسایش و Cu²⁺ در کاتد کاهش مییابد. الکترونها در سیم بیرونی از روی به مس میروند. جدا بودن نیمواکنشها امکان استفاده از جریان را میدهد؛ در مخلوط تماس مستقیم هم واکنش میتواند رخ دهد، ولی مسیر مفید بیرونی فراهم نیست.
در سیم فلزی الکترونها حامل جریاناند؛ یونها در الکترولیت حرکت میکنند و Cu²⁺ از سیم عبور نمیکند.
با اکسایش روی، یون مثبت در محفظه آند ایجاد میشود و با کاهش یون مس، کاتیون از محفظه کاتد مصرف میشود. پل نمکی با جابهجایی یونها به حفظ خنثی بودن الکتریکی کمک میکند. در سلول ساده Zn/Cu، آنیونها به سمت بخش آندی و کاتیونها به سمت بخش کاتدی میروند. جرم روی کم و جرم مس زیاد میشود.
پل نمکی با جابهجایی یونها به حفظ خنثایی الکتریکی کمک میکند؛ مسیر الکترون مدار خارجی است.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
پتانسیل استاندارد کاهش، تمایل نسبی نیمواکنش کاهش را در شرایط استاندارد نشان میدهد. برای سلول گالوانی استاندارد، نیمواکنش با E° کاهش بزرگتر معمولاً در کاتد انجام میشود. E°cell=E°cathode−E°anode و هر دو عدد از جدول کاهش برداشته میشوند. ضرب نیمواکنش برای برابر کردن الکترونها، مقدار E° را ضرب نمیکند.
پتانسیل کمیتی شدتی است و با دو برابر شدن معادله دو برابر نمیشود؛ شمار الکترونها دو برابر میشود.
باتری و سلول سوختی هر دو میتوانند انرژی شیمیایی را به الکتریکی تبدیل کنند، اما در سلول سوختی واکنشدهندهها از بیرون تأمین میشوند. در نمونه هیدروژن–اکسیژن، واکنش کلی ۲H₂+O₂→۲H₂O است. سازوکار نیمواکنشها به محیط اسیدی یا بازی وابسته است؛ نباید نیمواکنشهای دو محیط را بدون اصلاح با هم جمع کرد.
پیش از جمع باید محیط و گونههای H⁺، OH⁻ و آب سازگار و اتم و بار موازنه شوند؛ حذف صرف الکترون کافی نیست.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
در سلول الکترولیتی، منبع برق واکنشی را در جهت غیرخودبهخودی پیش میبرد. اکسایش همچنان در آند و کاهش همچنان در کاتد است، ولی در آرایش معمول، آند به قطب مثبت و کاتد به قطب منفی منبع وصل است. جابهجایی علامت نسبت به گالوانی، تعریف آند و کاتد را تغییر نمیدهد. الکترولیت باید امکان حرکت یونها را فراهم کند.
تعریف کاتد محل کاهش است؛ منفی بودن کاتد الکترولیتی این تعریف را عوض نمیکند.
در مذاب نمک، یونهای نمک گونههای اصلی قابل واکنشاند، اما در محلول آبی، آب هم ممکن است در واکنش الکترودی شرکت کند. بنابراین محصولات الکترولیز NaCl مذاب و محلول آبی یکسان نیستند. غلظت، جنس الکترود و شرایط کار در انتخاب محصول اثر دارند؛ برای هر نمونه باید شرایط دادهشده در مسئله حفظ شود.
در محلول آبی، آب نیز میتواند واکنش دهد؛ برای NaCl مذاب سدیم به دست میآید ولی در نمونه آبی معمول آب در کاتد کاهش مییابد.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
خوردگی فلز نمونهای از فرایند اکسایش–کاهش است. زنگزدگی آهن در حضور آب و اکسیژن تسهیل میشود. پوشش سالم میتواند مانع تماس شود و فلز فعالتر مانند روی در حفاظت فداشونده پیش از آهن اکسایش یابد. لایه اکسید چسبنده آلومینیم نیز میتواند سرعت اکسایش بیشتر را کاهش دهد؛ فعال بودن اولیه به معنی خوردگی پیوسته سریع در هر شرایط نیست.
فلز فداشونده مانند روی زودتر اکسایش مییابد و آهن را محافظت میکند؛ مصرف سریعتر آهن هدف حفاظت نیست.
در آبکاری فلزی، جسمی که قرار است پوشانده شود کاتد است تا یون فلز در سطح آن الکترون بگیرد و کاهش یابد. برای Cu²⁺ نیمواکنش Cu²⁺+۲e⁻→Cu نشان میدهد هر یک مول مس با مصرف دو مول الکترون تشکیل میشود. با مول الکترونِ دادهشده میتوان از نسبت ضرایب، مول فلز و سپس با جرم مولی، جرم پوشش را یافت.
عدد بار یون تعیینکننده است؛ Ag⁺ یک و Cu²⁺ دو مول الکترون برای هر مول فلز لازم دارند.
نام اکسنده و کاهنده از اثر ماده بر طرف مقابل میآید. اکسنده، ماده دیگر را اکسید میکند و خودش الکترون میگیرد. کاهنده، به ماده دیگر الکترون میدهد و خودش اکسید میشود. اگر این نامگذاری گیجکننده بود، ابتدا فعل «گرفتن» یا «دادن» الکترون را بنویس.
در Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu، روی دو الکترون میدهد؛ پس خودش اکسایش یافته و عامل کاهنده است. یون مس دو الکترون میگیرد؛ پس کاهش یافته و اکسنده است. نام گونه آغازین را در پاسخ بده: یون مس اکسنده است، نه مس فلزی محصول.
در واکنش Zn+Cu²⁺، اکسنده کدام است؟
پاسخ تشریحی: Cu²⁺؛ الکترون میگیرد و کاهش مییابد.
جدول پتانسیل کاهش همه نیمواکنشها را در جهت گرفتن الکترون نوشته است. برای ساخت سلول، یکی واقعاً کاهش و دیگری در جهت وارونه اکسایش مییابد. در فرمول اختلاف پتانسیل، هر دو عدد جدول کاهش را نگه میداریم و عدد آند را از کاتد کم میکنیم.
اگر عدد کاتد مثبت ۰٫۳۴ و عدد آند منفی ۰٫۷۶ باشد، تفریق عدد منفی به جمع تبدیل میشود و ۱٫۱۰ ولت به دست میآید. برای برابر کردن الکترونها ممکن است ضرایب را ضرب کنیم، اما خود پتانسیل با این ضرب بزرگ نمیشود.
اگر E° کاتد ۰٫۳۴ و E° آند −۰٫۷۶ ولت باشد، E° سلول چیست؟
پاسخ تشریحی: ۰٫۳۴−(−۰٫۷۶)=۱٫۱۰ V.
در یک آبکاری فقط میدانیم ۰٫۰۴ mol الکترون مصرف شده است، اما هویت و بار یون فلزی داده نشده. آیا جرم رسوب را میتوان یکتا تعیین کرد؟
جواب نهایی: خیر؛ برای تعیین جرم رسوب، نیمواکنش موازنهشده و جرم مولی فلز لازم است.
در آبکاری، جسم هدف کاتد است و یون فلز روی سطح آن الکترون میگیرد. ضریب الکترون در نیمواکنش پل میان مول الکترون دادهشده و مول فلز رسوبکرده است؛ سپس جرم مولی، مول فلز را به جرم پوشش تبدیل میکند.
در آبکاری یک جسم با مس، ۰٫۰۸۰ mol الکترون در نیمواکنش Cu²⁺+۲e⁻→Cu مصرف میشود. با M(Cu)=۶۴ g/mol، جرم مس رسوبکرده را بیاب.
فرضها: مول الکترونِ مصرفشده در نیمواکنش داده شده است و یون مس مطابق نیمواکنش نوشتهشده کاهش مییابد.
جواب نهایی: ۲٫۵۶ گرم مس.
عدد اکسایش Mn در MnO₂ با فرض O=−۲ چیست؟
پاسخ: +۴؛ x+۲(−۲)=۰.
در سلول گالوانی معمول روی–مس که در آن روی اکسایش و یون Cu²⁺ کاهش مییابد، الکترون در سیم به چه سمتی حرکت میکند؟
پاسخ: از آند روی به کاتد مس.
اگر پتانسیل کاهش استاندارد نیمسلول کاتدی ۰٫۳۴ ولت و پتانسیل کاهش استاندارد نیمسلول آندی −۰٫۷۶ ولت باشد، ولتاژ استاندارد سلول چیست؟
پاسخ: هر دو عدد پتانسیل کاهشاند؛ پس پتانسیل کاتد منهای پتانسیل آند را میگیریم: ۰٫۳۴−(−۰٫۷۶)=۱٫۱۰ V.
کاتد در سلول الکترولیتی محل چه فرایندی است؟
پاسخ: کاهش و گرفتن الکترون؛ در آرایش معمول به قطب منفی منبع وصل است.
در حفاظت فداشونده آهن با روی، کدام فلز ترجیحاً اکسایش مییابد؟
پاسخ: روی؛ با اکسایش خود به حفاظت آهن کمک میکند.
این صفحه برای جستوجوی «جزوه شیمی دوازدهم فصل ۲»، «نکات ناب شیمی» و مرور سریع کنکور و امتحان نهایی آماده شده است.