شیمی تکمیلی استاد ماستری

✔️ فرایند هال 🔎آلومینیوم یک فلز فعال است و به سرعت در هوا اکسایش می یابد و به آلومینیوم اکسید تبدیل می شود. 🔎وسایل آلومینیومی در برابر خوردگی مقاوم اند، زیرا آلومینیوم اکسید تولید شده، ساختاری متراکم و پایدار دارد که محکم به سطح فلز می چسبد و از نفوذ اکسیژن به لایه های زیرین جلوگیری می کند. این ویژگی آلومینیوم باعث شده که از آن در ساخت لوازم خانگی، هواپیما، کشتی و... استفاده شود. 🔎آلومینیوم در طبیعت به شکل ترکیب یافت می شود. سنگ معدن آلومینیوم در طبیعت، بوکسیت(Al2O3 به همراه ناخالصی) است. 🔎 در صنعت، آلومینیوم را از برقکافت Al2O3 مذاب به دست می آورند. تولید آلومینیوم به این روش فرایند هال نامیده می شود. 🔎فرایند هال در یک سلول الکترولیتی ویژه انجام می شود که آند و کاتد آن هر دو از جنس گرافیت هستند. 🔎دیواره ها و کف این سلول نقش کاتد(قطب منفی) را دارند در حالی که تیغه های گرافیتی بالای سلول نقش آند(قطب مثبت) را دارند. 🔎الکترولیت مورد استفاده در این سلول حاوی Al2O3 مذاب است. 🔎نیم واکنش کاهش در کاتد: Al^3+(l)  +3e --->Al(l) گرافیت کاتد نقشی در نیم واکنش کاتدی ندارد در نتیجه جرم آن بدون تغییر می ماند. 🔎چگالی آلومینیوم مذاب تولید شده در کاتد بیشتر از الکترولیت موجود در سلول است، بنابراین آلومینیوم مذاب پایین تر از الکترولیت مذاب بر روی کاتد گرافیتی ته نشین می شود و به کمک یک لوله از قسمت پایینی سلول جمع آوری می شود. 🔎در آند این سلول الکترولیتی نیم واکنش زیر انجام می شود: 2O^2-(l) --->O2(g) +4e پس از تولید اکسیژن در آند گرافیت موجود در آند با توجه به دمای بالا با گاز اکسیژن واکنش می دهد و CO2 تولید می شود، به همین خاطر جرم گرافیت آند کم می شود. 🔎 در فرایند هال برخلاف سلول دانز الکترود آند نقش واکنش دهنده را هم بازی می کند.** 🔎واکنش کلی در فرایند هال: 2Al2O3+3C -->4Al+3CO2 ✅فلز آلومینیوم یکی از مهمترین منابع تجدید ناپذیر طبیعت است. فرایند هال به علت مصرف زیاد انرژی الکتریکی هزینه بالایی دارد. با بازیافت فلز آلومینیوم می توان ضمن افزایش عمر منابع آلومینیوم برخی از هزینه های تولید این فلز را نیز کاهش داد. تولید قوطی های آلومینیومی از قوطی های کهنه تنها به 7 درصد از انرژی لازم برای تهیه همان تعداد قوطی از فرایند هال نیاز دارد.

✔️ آبکاری 🔎 پوشاندن سطح یک فلز با لایه نازکی از یک فلز ازشمند و مقاوم در برابر خوردگی به کمک سلول الکترولیتی را آبکاری می گویند. 🔎در آبکاری جسمی که روکش روی آن ایجاد می شود در کاتد قرار گرفته و به قطب منفی باتری وصل می شود. 🔎فلز پوشاننده را به عنوان آند در سلول قرار می دهند.و به قطب مثبت باتری وصل است. 🔎الکترولیت مورد استفاده باید دارای یون های فلز پوشاننده باشد. 🔎در فرایند آبکاری نیم واکنش های آندی و کاتدی هر دو مربوط به فلز پوشاننده هستند. برای مثال در این شکل: نیم واکنش کاتدی Ag^+  +e-->Ag نیم واکنش آندی Ag-->Ag^+  +e 🔎 غلظت محلول الکترولیت در طی فرایند آبکاری ثابت است. زیرابه طور مثال در سلول این شکل هر چه یون نقره در آند تولید شود، به همان مقدار در کاتد مصرف می شود. 🔎در سلول الکترولیتی بدون توجه به موقعیت فلزها در سری الکتروشیمیایی، فلزی که به قطب مثبت باتری وصل شده باشد، آند و فلزی که به قطب منفی باتری وصل شده باشد کاتد است.

✔️ راه های جلوگیری از خوردگی آهن 1⃣ حفاظت فیزیکی ساده ترین راه برای جلوگیری از خوردگی آهن این است که با ایجاد یک پوشش محافظ از رسیدن اکسیژن و رطوبت به آهن جلوگیری کنیم. 🔹رنگ کردن، قیر اندود کردن، و روکش دادن وسایل آهنی نمونه های از این روش هستند. 🔴 اگر سطح آهن با فلز قلع پوشانده شود به آن حلبی می گویند. از حلبی برای ساخت ظروف بسته بندی مواد غذایی استفاده می شود. 🔹تا زمانی که سطح حلبی خراشیده نشود، قلع به عنوان پوشش محافظ از خوردگی آهن جلوگیری می کند. 🔹به محض خراشیده شدن سطح حلبی، نه تنها قلع از آهن محافظت نمی کند، بلکه بر شدت زنگ زدن آهن می افزاید. 🔹در واقع با خراشیده شدن سطح حلبی یک سلول گالوانی تشکیل شده و آهن که °E کوچکتری دارد با اکسید شدن در آند خورده می شود و قلع در نقش کاتد نسبت به خوردگی محافظت می شود. نیم واکنش اکسایش در حلبی: Fe(s) --->Fe^2+(aq) +2e نیم واکنش کاهش در حلبی: O2(g) +2H2O(l)+4e --->4OH^-(aq) 2⃣ حفاظت کاتدی برای جلوگیری از زنگ زدن آهن می توان آن را در تماس با یک فلز فعال تر(کاهنده تر) قرار داد. تا به جای آهن، این فلز در معرض خوردگی قرار گیرد. به این کار حفاظت کاتدی می گویند. زیرا با تشکیل یک سلول گالوانی فلزی که °E کوچکتری دارد، در نقش آند اکسید می شود در حالی که آهن نقش کاتد را بازی کرده و در برابر خوردگی محافظت می شود. 🔺از فلزهای مانند روی و منیزیم که کاهنده تر از آهن هستند می توان برای حفاظت کاتدی از آهن استفاده کرد. 🔺 به آهنی که سطح آن با لایه نازکی از فلز روی پوشیده شده است، آهن گالوانیزه (آهن سفید) می گویند. 🔺در آهن گالوانیزه حتی درصورت خراش، فلز آهن از خوردگی در امان است. 🔺هرگاه خراشی در آهن گالوانیزه ایجاد شود، در محل خراش یک سلول گالوانی تشکیل می شود و فلز روی که °E کوچک تری دارد در نقش آند اکسید شده و از آهن (کاتد) محافظت می‌کند. نیم واکنش اکسایش در آهن گالوانیزه: Zn(s) --->Zn^2+(aq)+2e نیم واکنش کاهش آهن گالوانیزه : O2(g) +2H2O(l)+4e ---> 4OH^-(aq) 🔺کاربرد آهن گالوانیزه را در ساخت وسایلی مانند تانکر آب و کانال کولر می توان دید. ▪️برای محافظت آهن در بدنه کشتی ها و لوله های نفتی از منیزیم استفاده می شود. ▪️لزومی ندارد همه ی سطح آهن با منیزیم پوشیده شود. کافی است تکه هایی از منیزیم را به بدنه آهنی کشتی یا لوله متصل کنیم. ▪️با گذشت زمان، فلز منیزیم اکسایش یافته و مصرف می شود. بنابراین باید به شکل دوره ای تکه های منیزیم را تعویض کرد. ✅ چرا از آهن گالوانیزه به جای حلبی در ساختن ظروف مواد غذایی استفاده نمی‌شود؟ اسید های موجود در مواد غذایی و میوه ها بر قلع اثر نمی کنند، در حالی که با فلز روی واکنش می دهند، در نتیجه یون های +Zn^2 وارد مواد غذایی شده و آن ها را فاسد می کنند.

✔️ خوردگی 🔎به ترد شدن و خرد شدن و فرو ریختن فلزها بر اثر یک واکنش اکسایش - کاهش، خوردگی گفته می شود. مانند زنگ زدن آهن و تیره شدن نقره 🔎 پتانسیل کاهشی اغلب فلز ها منفی و پتانسیل کاهشی اکسیژن مثبت است، بنابراین اکسیژن ه عنوان اکسنده با گرفتن الکترون از فلزها آن ها را اکسید می کند. اکسیژن نمی تواند برخی فلزها  مانند طلا و پلاتین را اکسید کند. 🔎آهن پرمصرف‌ترین فلز در جهان است. خوردگی آهن خسارت های سنگینی به اقتصاد کشور ها وارد می کند، به طوری که سالانه حدود 20 درصد از آهن تولیدی برای جایگزینی قطعه های خورده شده مصرف می شود. 🔎به جز اکسیژن عوامل دیگری مانند مجاورت آب با یک محلول اسیدی هم می تواند فلز را اکسید و در نهایت باعث خوردگی آن شود. 🔎اگر تیغه ای از آهن را در محلول مس(اا) سولفات قرار دهیم، خواهیم دید با گذشت زمان آهن خورده می شود.

✔️ تهیه فلز منیزیم از آب دریا 🔎منیزیم در آب دریا به شکل یون +2^Mg وجود دارد. 🔎در اولین مرحله، منیزیم را به صورت ماده جامد و نامحلول منیزیم هیدروکسید (Mg(OH)2)رسوب می دهند. 🔎منیزیم هیدروکسید توسط صافی جدا شده و در اثر واکنش با محلول هیدروکلریک اسید به منیزیم کلرید محلول در آب تبدیل می‌شود : Mg(OH)2 (s) +2HCl(aq)==MgCl2(aq)+2H2O(l) 🔎پس از تبخیر و خشک کردن محلول بالا منیزیم کلرید جامد به دست آمده را ذوب می کنند تا MgCl2(l) به دست آید. 🔎منیزیم کلرید مذاب را در یک سلول الکترولیتی، برقکافت می کنند تا فلز منیزیم به دست آید. 🔹نیم واکنش اکسایش در آند (قطب مثبت) 2Cl^-(l)==Cl2(g)+2e 🔸نیم واکنش کاهش در کاتد(قطب منفی) Mg^2+(l)+2e==Mg(l) 🔎برای تهیه فلز منیزیم باید منیزیم کلرید مذابMgCl2(l) را برقکافت کرد نه محلول آن MgCl2(aq) 🔎فلز منیزیم در تهیه آلیاژها، شربت معده و ضد اسید ها کاربرد دارد.

✔️ برقکافت آب 🔎برقکافت آب فرایندی است که جریان برق از درون آب عبور داده می شود و طی آن آب به عنصرهای سازنده اش تجزیه می شود. 🔎نیم واکنش های انجام شده در برقکافت آب: نیم واکنش کاهش در کاتد(قطب منفی) : 4H2O+4e>>2H2+4OH^- نیم واکنش اکسایش در آند(قطب مثبت) : 2H2O >> O2+H^+   +4e 🔎در برقکافت آب به دلیل تولید یون هیدروژن در آند و یون هیدروکسید در کاتد، اطراف آند محیط اسیدی و اطراف کاتد محیط بازی ایجاد می شود. 🔎هیدروژن در کاتد و اکسیژن در آند تولید می شود و با توجه به ضرایب استوکیومتری واکنش کلی 2H2O >> 2H2 +O2 حجم گاز تولید شده در کاتد دو برابر حجم گاز تولید شده در آند است. 🔴نکته کنکوری برای برقکافت آب این چهار کلمه که با الف شروع می شوند را برای نیم سلول آند و مقابل آن ها را برای نیم سلول کاتد در نظر بگیرید 🔺آند 🔺اکسایش 🔺اکسیژن(گاز تولیدی) 🔺اسیدی

✔️ سلول الکترولیتی 🔎در سلول الکترولیتی با اعمال یک ولتاژ بیرونی، انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود. 🔎به واکنشی که در اثر عبور جریان الکتریکی از درون یک نمک مذاب یا محلول آبی نمک انجام می شود، برقکافت می گویند. ✅مشخصات سلول الکترولیتی 1⃣اغلب شامل دو الکترود بی اثرند که در واکنش شرکت نمی کنند. 🔴 در سلول آبکاری که نوعی سلول الکترولیتی است الکترود ها در واکنش شرکت می کنند. 2⃣الکترولیت موجود می تواند یک ترکیب یونی یا یک محلول مذاب یونی باشد. 3⃣دو الکترود به قطب های یک منبع مستقیم مانند باتری متصل می شوند. 4⃣الکترودی که به قطب مثبت متصل شده آند و الکترودی که به قطب منفی متصل شده کاتد نامیده می شود.(برخلاف گالوانی) 5⃣در سلول الکترولیتی جهت حرکت الکترون ها از آند به کاتد است. (همانند گالوانی) 6⃣در سلول الکترولیتی کاتیون ها به سمت کاتد و آنیون ها به سمت آند حرکت می کنند. (همانند گالوانی) 7⃣در سلول الکترولیتی فرایند کاهش در کاتد و فرایند اکسایش در آند انجام می شود. (همانند گالوانی) 8⃣در سلول الکترولیتی غشا متخلخل بین آند و کاتد وجود ندارد. (برخلاف گالوانی)

رنگ های مهم👆👆👆