The fact that chemical reactions produce electrical effects was discovered accidentally in 1791 by Luigi Galwani, professor of anatomy at the University of Bologna, Italy. He found that an electric current flowed across two dissimilar metals between which was a moist substance. In his case, the moist substance was a frog and the passage of electrical current was detected by the twitching of its leg. Galvani thought that this was a manifestation of animal electricity. Ten years later, Alessandro Volta, a professor of natural philosophy at the nearby University of Pavia, successfully reproduced some of Galvani"s results with inanimate things. He assembled a series of silver and zinc discs in pairs separating each pair with a sheet of pasteboard soaked in conducting liquid. When the top most disc of silver was connected by a wire with the lower zinc disk, a steady current of electricity was produced. This is a voltaic pile. The basic reason for this electrochemical effect became clear rather slowly.

Electrodes: Copper (+ve) and Zinc (- ve)

Electrolyte: dil. H₂SO₄ (dilute sulphuric acid)

At cathode:

At anode:

The Zn²⁺ repel the H⁺ in the solution towards the copper electrode. They extract e^- from the copper rod and become neutral hydrogen atoms and finally escapes as gas. Due to this, the copper rod becomes positively charged and the zinc rod negatively charged. This process continues and a maximum potential difference is reached between the two electrodes dipped in the electrolyte. The emf is 1.08 volt. When connected externally through any resistor or bulb, conventional current flows from Cu to Zn. Electric current can be continuously drawn from the cell till all the zinc is dissolved or sulphuric acid is consumed.

This arises due to the presence of impurities in the zinc rod. These impurities form minute local cells all along the zinc rod; small local currents are set up resulting in the wastage of zinc even when the cell is not being used. This can be eliminated by rubbing mercury on the zinc rod (i.e., amalgamation).

A layer of neutral hydrogen is formed near the copper rod thus weakening the action of the cell by increasing its internal resistance and also producing a back emf. This is removed by using a depolariser like MnO₂ or CuSO₄, which oxidizes hydrogen into water.

In spite of the small emf and limited energy capacity, cells are used widely because of their compactness and convenience. We discuss here a few. Types of electrochemical cells, mostly those in common use.

Electrodes: Copper vessel (+ve)

Zinc rod (-ve) (amalgamated)

Electrolyte: dil. H₂SO₄

Depolarizer: CuSO₄ solution

The porous pot (of fired clay or porcelain) allows ions to pass between the two solutions, but prevents the solutions from mixing. A perforated shelf containing CuSO₄ crystals is placed near the top of the Cu vessel to maintain the CuSO₄ solution concentration.

The hydrogen ions so formed diffuse through the porous pot and interact with copper sulphate forming H₂SO₄ and Cu²⁺ ions.

Therefore, 2H⁺ + CuSO₄ ------> H₂SO₄ + Cu²⁺.

The copper ions are deposited on the vessel and there is no depolarisation. The zinc rod, which is amalgamated, avoids local action. The emf is 1.12 V.

Electrodes: Carbon rod (+ve)

Zinc rod (-ve)

Electrolyte: Saturated NH₄Cl solution

Depolariser: MnO₂

The electrons thus released move to the zinc rod via the external circuit. The ammonia gas so produced escapes. The hydrogen ions diffuse through the porous pot and interact with MnO₂. (The charcoal powder makes MnO₂ electrically conducting.) Therefore,

These positive charges are given to the carbon rod increasing its positive potential with respect to the electrolyte. The depolarisation action proceeds slowly. When current is drawn continuously, a partial polarisation therefore sets in, because of which the current falls. So the circuit is switched off till the hydrogen gas escapes. It is ready for use after sometime.

The Leclanche cell is used when intermittent currents are needed.

The emf of the cell is 1.45 V.

This is a portable form of Leclanche Cell. A moist paste of NH₄Cl and ZnCl₂ is contained in a zinc vessel acting as the negative electrode. ZnCl₂ is added to the electrolyte NH₄Cl. It keeps the paste moist because it is highly hygroscopic. The top is sealed with shellac or pitch so that paste does not dry up. The carbon rod covered with a brass cap is placed in the middle of the vessel surrounded by a paste of charcoal and MnO₂ in a muslin bag acts as the positive electrode. A small hole is provided in it to allow the gases formed by chemical action to escape.

The emf is ~ 1.5V

The dry cell is useful in circuits requiring only intermittent current because it can provide only 0.25 A continuously. If more than this is drawn continuously, polarization occurs

نام خدا

ساختار الکترود استاندارد هیدروژن :

این تصاویر از منبع زیر گرفته شده است :

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/3313/3392587/blb2004.html

 در این الکترود تعادل زیر برقرار است :

2H⁺ + 2e  <=> H₂

در الکترود استاندارد هیدروژن :

1) فشار گاز هیدروژن چقدر است ؟

2) E⁰ آن بنا به قرارداد چقدر در نظر گرفته می شود ؟

نکته : اگر درپیل تشکیل شده از یک الکترود فرضی با الکترود استاندارد هیدروژن ? این الکترود نسبت به SHE آند واقع شود E⁰ آن منفی و در سری الکتروشیمیایی جایگاهی بالاتر از هیدروژن دارد . مانند : روی و یا آهن

نکته : اگر درپیل تشکیل شده از یک الکترود فرضی با الکترود استاندارد هیدروژن ? این الکترود نسبت به SHE کاتد واقع شود E⁰ آن مثبت و در سری الکتروشیمیایی جایگاهی پایین تر از هیدروژن دارد . مانند : مس و یا نقره

این تصویر از منبع زیر گرفته شده است :

http://www.tutorvista.com/content/chemistry/chemistry-iii/redox-reactions/electrode-potential-measurement.php

منبع فارسی:http://www.chem14.blogfa.com/

Cobalt redox couple boosts thermoelectric cells

Scientists in Australia have improved a technology that recycles waste heat into useable energy by using ionic liquids containing cobalt redox couples as the electrolytes in thermoelectric cells.

Thermoelectrochemical devices generate power when a temperature gradient exists across a redox couple. The power generated is not yet enough to use as a primary energy source, but thermoelectric cells are useful for harvesting waste energy from energy production.

Aqueous or organic solutions traditionally form the electrolyte in thermoelectrochemical cells. The volatility of water and most organic solvents restrict working temperatures as the solvent can evaporate, reducing the long term stability and power output of the cells. Ionic liquids have extremely low vapour pressures, because of the strong ionic interactions, so do not easily evaporate. Their low thermal conductivity compared to water also helps ionic liquids maintain the temperature gradient across the device.

The outstanding performance of the device developed by Jenny Pringle, from Deakin University, Melbourne, and colleagues Doug MacFarlane and Ted Abraham at Monash University, stems from the high entropy difference of a Co²⁺/Co³⁺ redox couple. Upon reduction, the transition of cobalt from low to high spin causes a large change in metal–ligand bond length, and is thought to be the reason that this system produces such high voltages.

‘Although the power from these devices is not massive, it is enough to offset demand. They have advantages over solid semiconductor devices as they could be flexible, cheaper and work at lower temperatures. For example they could be wrapped around hot pipes in power plants,’ explains Pringle.

Commenting on the potential of thermoelectric devices to recycle ambient heat in a residential or office setting, Pringle says ‘they would work, but due to the smaller temperature difference, the power recovered would be lower.’

‘Power generation typically requires temperatures of over 1000 °C. This technology can concentrate low-grade waste heat in the 100–200 °C range into high density useful power,’ comments George Chen, an expert in electrochemical technologies at the University of Nottingham, UK.

Joseph Heremans, who researches waste heat recovery at Ohio State University, US, has concerns about the wider application of the devices. ‘Electrolytic devices have moving parts, unlike classical thermoelectrics, because they require fluid motion, if not a pump. They can be designed so that natural convection takes care of this, but the devices are still sensitive to orientation. This would render them unsuitable for transport applications.’

Pringle says that, as this is the first report of a cobalt redox couple being used in ionic liquid electrolytes for thermoelectrochemical cells, they are still learning how they work

منبع:

http://www.rsc.org/chemistryworld/2013/07/cobalt-redox-thermoelectric-cells-ionic-liquid

الکتروشیمی

مقدمه

الکتروشیمی علمی پیچیده و گسترده است.هدف از این مقاله آشنایی سطحی با این علم از طریق معرفی اصطلاحات و مفاهیم مهم آن است.آشنایی با این اصطلاحات و مفاهیم کمک خوبی برای درک نحوه کار باتری اتومبیل است.

بخشی از علم الکتروشیمی مورد نظر ماست که به مطالعه پیل های گالوانیک و الکترولیز اختصاص دارد.وقتی جریان برق از الکترولیتی می گذرد سبب انجام واکنش های شیمیایی خاص و جا به جا شدن ماده می شود.بعضی واکنش های شیمیایی که در شرایط خاصی انجام می شوند با مصرف انرژی آزاد موجود در سیستم انرژی الکتریکی تولید می کنند.

واکنش هایی بیشتر مورد توجه ما هستند که برگشت پذیر باشند؛ یعنی واکنش هایی که بتوانند انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی یا انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.بعضی از اصطلاحات الکتروشیمی ممکن است گمراه کننده باشند.در زیر بعضی از این اصطلاحات را به طور اجمال شرح می دهیم.

• آند : الکترود مثبت پیل.
• آنیون : یون با بار منفی که در حین الکترولیز به طرف قطب مثبت می رود.
• الکترود : صفحه های باتری یا حمام الکترولیز که در الکترولیت آویزان اند.
• الکترولیت : مایع رسانای یون دار که هر دو الکترود را می پوشاند.
• الکترولیز : رسانش الکتریسیته بین دو الکترود فرو رفته در محلول حاوی یون (الکترولیت) که سبب ایجاد تغییر شیمیایی در الکترود ها می شود.
• پخش : مخلوط شدن خود به خودی گاز ها و مایعات.

·        پیل گالوانیک ثانویه : پیلی حاوی الکترود و الکترولیت که وقتی پر می شود انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می کند و در هنگام تخلیه انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی مبدل می سازد.

·        تفکیک : تجزیه اتم ها یا مولکول های موجود در یک محلول به یون های مثبت و منفی.مثلا اسید سولفوریک (H₂SO₄) به یون های H⁺, H⁺ (یون مثیت یا کاتیون ، که جذب کاتد می شود) و SO₄^{- -} (یون منفی یا آنیون که جذب آند می شود) تفکیک می شود.

·        کاتد : الکترود منفی پیل.

·        کاتالیزور : ماده ای که سرعت انجام واکنش را به شدت افزایش می دهد ، بدون آنکه ظاهرا در واکنش شرکت کند.

·        کاتیون : یون با بار مثبت که در حین الکترولیز به طرف قطب منفی می رود.

·        یون : یک ذره اتمی یا مولکولی با بار مثبت یا منفی.

رسانش الکترولیتی

الکتریسیته به دو راه در رسانا ها جاری می شود.راه اول حرکت الکترون است که در بیشتر فلزات مشاهده می شود.راه دوم حرکت یونی یا حرکت اتم ها یا مولکول های بار دار است. برای جریان یافتن الکتریسیته در الکترولیت به جریان یونی نیاز است.

برای توصیف رسانش الکترولیتی یا ، به عبارت دیگر ، عبور الکتریسیته از یک مایع ، مایع مناسبی مانند اسید سولفوریک (H₂SO₄) را انتخاب می کنیم. وقتی اسید سولفوریک با آب مخلوط شود به یون های مثبت و منفی  H⁺, H⁺ و SO₄^{- -} تفکیک می شود.یون های مثبت جذب الکترود منفی و یون های منفی جذب الکترود مثبت می شوند.این حرکت را جریان یونی می نامند.

قانون اهم و مقاومت الکترولیتی

مقاومت هر ماده به عامل های متغیر زیر بستگی دارد :

• جنس ماده
• دما
• طول ماده
• سطح مقطع ماده

این مطلب هم در مورد الکترولیت ها و هم در مورد رسانا های جامد صادق است. طول و سطح مقطع با مقاومت جسم رابطه مستقیم دارند ، خواه جسم جامد باشد و خواه مایع.اما بر خلاف فلزات که با افزایش دما مقاومت آنها افزایش می یابد ، در الکترولیت ها معمولا با افزایش دما مقاومت کاهش می یابد.

جنس یا رسانایی (عکس مقاومت) ماده نیز در جامدات و مایعات تاثیر های متفاوتی دارد. مقاومت ویژه الکتریکی مواد مختلف یکسان نیست ، اما در مورد الکترولیت ها غلظت الکترولیت نیز موثر است.

عمل الکتروشیمیایی باتری سرب-اسیدی

یک باتری سرب-اسیدی کاملا پر (شارژ) از صفحه های مثبت پراکسید سرب (PbO₂) ، صفحه های منفی سرب اسفنجی و اسید سولفوریک رقیق (H₂SO₄ + H₂O) تشکیل می شود. چگالی نسبی این الکترولیت 1.28 است. سرب ماده ای فعال است و در دو صورت خود ظرفیت های متفاوتی دارد.به عبارت دیگر تعداد الکترون های لایه خارجی سرب خالص با تعداد الکترون های لایه خارجی پراکسید سرب متفاوت است.در حقیقت پراکسید سرب ظرفیت +4 دارد.

چنان که در اوایل فصل گفته شد ، وقتی اسید سولفوریک با آب مخلوط شود به یون های بار دار H⁺, H⁺ و SO₄^{- -} تفکیک می شود. از لحاظ کلی به نظر می رسد که الکترولیت ، که آن را آب باتری می نامند، خنثی است زیرا این بار های الکتریکی یکدیگر را خنثی می کنند.اما با تفکیک الکترولیت به این اجزا ، جریانی از الکترولیت می گذرد که سبب پر شدن یا تخلیه باتری می شود.

ولتاژ پیل را یون هایی ایجاد می کنند که بر اثر فشار محلول از الکترود ها وارد محلول می شوند.سرب 2 اتم با بار مثبت وارد محلول ها می کند که دو الکترون به محلول اضافه می کنند.در نتیجه جدا شدن دو ذره با بار مثبت از الکترود ، الکترون اضافی در الکترود باقی می ماند و الکترود نسبت به الکترولیت منفی می شود.اگر الکترود دیگری را در داخل الکترولیت فرو ببریم ، پتانسیل های مختلفی در دو الکترود ایجاد می شود و بنا بر این بین آن ها اختلاف پتانسیل وجود خواهد داشت. اختلاف پتانسیل نامی یک باتری سرب-اسیدی 2V است.فشار الکتربیکی ناشی از وجود صفحه ها سبب برقراری تعادل در الکترولیت می شود. بار های منفی روی یک صفحه یون های مثبتی را که وارد محلول شده اند جذب می کنند.اندازه این نیروی جاذب با فشار محلول برابر است و در نتیجه تعادل برقرار می شود.وقتی یک مدار خارجی به پیل متصل می شود. فشار محلول و نیروی جاذب از بین می رود. در نتیجه ذره های بار دارد بیشتری می توانند وارد الکترولیت شوند و از آن عبور کنند.اما این اتفاق فقط در صورتی رخ می دهد که فشار ولتاژ خارجی از کشش الکتریکی در داخل پیل بیشتر باشد. این ولتاژ را ولتاژ پر کردن باتری یا ولتاژ باتری پر کنی می نامند.

وقتی یک باتری سرب-اسیدی پر یا خالی می شود تغییرات شیمیایی خاص در داخل آن انجام می گیرد.این تغییرات را می تواند به صورت دو واکنش شیمیایی در نظر گرفت.یکی از این واکنش ها در صفحه مثبت و واکنش دیگر در صفحه منفی انجام می شود.. واکنشی که در صفحه مثبت انجام می شود ترکیبی از معادله های (الف) و (ب) است.

(الف)

PbO₂  +  4H⁺  +  2e^-   --→  Pb²⁺  +  2H₂O

پراکسید سرب با هیدروژن تفکیک شده ترکیب می شود تا سرب و آب تولید شود.

(ب)

Pb²⁺  +  SO₄^2-   --→   PbSO₄

اکنون سرب تمایل دارد با سولفات موجود در الکترولیت ترکیب شود و سولفات سرب تشکیل دهد.در نتیجه واکنش در قطب مثبت ، به صئرت کلی زیر نوشته می شود :

(ج)

PbO₂  +  4H⁺  +  SO₄^2-  +  2e^-  --→  PbSO₄  +  2H₂ O

که ترکیب دو واکنش (الف) و (ب) است. در نتیجه انجام این واکنش ، آب (در واکنش الف) و سولفات سرب (در واکنش ب) تولید و اسید سولفوریک مصرف می شود. واکنشی که در صفحه منفی انجام می شود چنین است :

(د)

Pb  --→  Pb²⁺   +   2e^-

سرب خنثی دو الکترون منفی به محلول می دهد و بار مثبت پیدا می کند.

(ه)

Pb²⁺   +  SO₄ ^2-   --→  PbSO₄

سربی که بار مثبت پیدا کرده است تمایل به جذب یون های منفی سولفات از داخل محلول پیدا می کند و در قطب منفی سولفات سرب تشکیل می شود. بنا بر این واکنش کلی در قطب منفی چنین است :

(و)

Pb  +  SO₄ ^2-  --→  PbSO₄  +  2e^-

این واکنش ترکیب واکنش های (د) و (ه) است و در نتیجه انجام آن اسید سولفوریک مصرف و آب تولید می شود ؛ ضمن اینکه باتری هم خالی می شود.

در هنگام پر کردن باتری همین فرایند ، اما این بار در جهت عکس ، انجام می شود. واکنش هایی که در هنگام پر کردن باتری انجام می شود به شرح زیر است.

در الکترود منفی واکنش زیر انجام می شود :

(ز)

PbSO₄  +  2e^-  +  2H⁺  --→  Pb  +  H₂ SO₄

الکترون هایی که از مدار خارجی می آیند (2e^-) با یون های هیدروژن موجود در محلول (2H⁺) و سپس با سولفات ترکیب می شوند و اسید سولفوریک تشکیل می دهند و در صفحه ها سرب تشکیل می شود. در قطب مثبت واکنش زیر انجام می شود :

(ح)

PbSO₄  -  2e^-  +  2H₂ O  --→  PbO₂  +  H₂ SO₄  +  2H⁺

الکترون هایی که به مدار خارجی داده شده (2e) ، یون های هیدروژن (2H⁺) در محلول آزاد می کنند. در نتیجه در صفحه مثبت پراکسید سرب تشکیل می شود و غلظت اسید سولفوریک در الکترولیت افزایش می یابد.

حاصل واکنش های بالا ، یعنی (ج+و  یا  ز+ح)، چنین است :

(ط)

PbO₂  +  2H₂ SO₄  +  Pb  --→  2PbSO₄  +  2H₂ O

این واکنش شیمیایی دو طرفه یا برگشت پذیر (پر شدن باتری در سمت چپ و خالی شدن آن در سمت راست) فرایند کامل چرخه پر و خالی شدن باتری سرب-اسیدی را نشان می دهد.

واکنش دیگری که در باتری انجام می شود و باید به آن توجه کرد واکنش گاز زایی پس از کامل پر شدن باتری است. علت انجام این واکنش آن است که وقتی صفحه های باتری به سرب «خالص» و پراکسید سرب تبدیل شدند ، توان الکتریکی خارجی سبب تجزیه آب موجود در الکترولیت می شود. ولتاژ گاز زایی در باتری سرب-اسیدی در حدود 2.4 ولت است. گاز زایی سبب تولید هیدروژن و اکسیژن و کم شدن آب باتری می شود، در نتیجه چگالی اسید الکترولیت افزایش می یابد.

مانند حالت قبل ، واکنش هایی را که در هر قطب باتری انجام می شود بررسی می کنیم، در صفحه مثبت باتری داریم :

(ی)

2H₂ O  -  4e^-  --→  O₂  +  4H⁺

و در صفحه منفی باتری داریم :

(ک)

4H⁺  +  4e^-  --→  2H₂

با جمع این دو (ی و ک)، واکنش کلی زیر نتیجه می شود:

( ی و ک)

2H₂ O  --→  O₂  +  2H₂

در حقیقت گاز زایی به مدت کوتاه قابل قبول است ، زیرا به این ترتیب می توان مطمئن شد که تمام سولفات سرب به سرب یا پراکسید سرب تبدیل شده است . در گاز زایی ماده ای در واکنش شرکت می کند که توری باتری از آن ساخته شده است. در باتری های بسته این مشکل حاد تر است ، اما با استفاده از سرب-کلسیم به جای سرب-آنتیموان برای ساخت توری این مشکل تا حدودی برطرف شده است.

ولتاژ هر پیل و در نتیجه ولتاژ کلی باتری عمدتا به غلظت اسید در الکترولیت بستگی دارد.

دما نیز تاثیر مهمی در تعیین ولتاژ باتری دارد. ولتاژ باتری را می توان با استفاده از جاذبه الکتریکی میان صفحه ها و غلظت یون های داخل محلول محاسبه کرد. در جدول بالا نتایج این محاسبات در دمای 27 درجه سانتی گراد نشان داده شده است. به عنوان یک راهنمای تقریبی می توان گفت که ولتاژ هر پیل برابر است با 0.84 به علاوه مقدار چگالی نسبی اسید.

ولتاژ خروجی باتری سرب اسیدی باید از 1.8 ولت پایین تر بیاید ، زیرا گذشته از آن که در چنین وضعیتی الکترولیت (آب باتری) به اندازه ای رقیق می شود که به آب خالص بیشتر شباهت دارد، بلور های سولفات سرب هم رشد می کنند و بزرگتر می شوند. به طوری که پر کردن دوباره باتری دشوار می شود.

• H-bonding.gif
• H-bonding.swf
• Hydrogen Spectrum.exe
• acid13.swf
• ادامه مطلب...
  

لینکهای مفید در زمینه ی شیمی آلی:

1- مرجع جهانی شیمی آلی (سایت ویکیپدیا):

Organic Chemistry

2- واکنشهای جانشینی:

SN1

SN2

SNi

SNAr

3- واکنشهای حذفی:

ادامه مطلب...

89 years of expertise in applied and industrial chemistry - Ullmann"s is back in print!
Generations of chemists and engineers have relied on the well structured and trusted information from Ullmann"s Encyclopedia - and you still can count on Ullmann"s with the current 6th edition in print

 دانلود در ادامه مطلب

ادامه مطلب...

 دانلود درس آزمایشگاه شیمی تجزیه2 به صورت پاورپوینت (کلیک کنید)

دانلود  پاور پوینت آزمایشگاه بیوشمی

کاربرد اسپکترو فتو متری در بیو شیمی

و........... 

بر اساس سرفصل دروس

آزمایش قندها یا گلوسیدها

واکنشهای اختصاصی قندها:

((بچه های شیمی کاربردی آکثر این واکنشها و آزمایشات رو ، در  درس شیمی شناسایی ترکیبات آلی پاس میکنند))
برای مثال:

1.واکنش بارفود

2– واکنش مولیش