الکترولیز آسان شد(ish)

در نوامبر سال گذشته (آیا واقعا همین مدت پیش بود؟) من یک پست وبلاگی در مورد آب نوشتم که در آن یک نسخه خانگی ساده از الکترولیز را توضیح دادم. در آن زمان زیاد به آن فکر نکردم، فراتر از این که انجام این آزمایش به طرز عجیبی هیجان‌انگیز بود – که معمولاً شامل پک‌های برق و سیم‌ها و انواع چیزهای آزمایشگاهی دیگر است – فقط با یک باتری 9 ولت، یک تیک تاک جعبه و چند پین طراحی

بعد، هی، چه می دانی، یکی واقعاً حرف های من را خوانده است! نه تنها این، آنها را بخوانید و فکر کنید: بیایید این را امتحان کنیم. و همینطور شد لوئیز هربرت، از جانب یادگیری STEM (این توییتر آنهاست، اینجا وب سایت آنهاست)، ماه گذشته با من تماس گرفتند و از من پرسیدند که آیا می خواهم از Chronicle Flask به عنوان منبعی برای یک دوره آموزشی STEM در مورد کار عملی استفاده کنند.

البته نه گفتم و لطفا چندتا عکس برام بفرستید!

و آنها این کار را کردند، و شما می توانید آنها را در این پست پراکنده ببینید. اما بیایید نگاهی گذرا به شیمی بیندازیم…

الکترولیز فرآیند تجزیه ترکیبات با الکتریسیته است. به طور خاص، ترکیبات یونی: یون با بار مثبت در ترکیب به سمت الکترود منفی حرکت می کند و یون با بار منفی به سمت الکترود مثبت حرکت می کند.

فقط… یک دقیقه صبر کنید… آب یونی نیست، درست است؟ پس … چرا روی آب کار می کند؟ اره خوب. آب کمی به یون ها تقسیم می شود. در شرایط استاندارد خیلی زیاد نیست، اما کمی، به طوری که آب حاوی مقادیر بسیار کمی OH است^– و اچ⁺ یون ها (در واقع، من می توانم به شما بگویم که دقیقا چند H⁺ یون ها در دمای اتاق وجود دارد، 1×10 است^-7 mol dm^-3و در یک پیچش شیمی حیرت‌انگیز، آن عدد 7 را می‌بینید که چرا آب خالص pH دارد، بله، 7.)

بنابراین، در تئوری می توانید آب را الکترولیز کنید، زیرا حاوی یون است. و من بیش از یک بار دستانم را تکان داده‌ام و آن را در همان حالت رها کرده‌ام، به خصوص تا سطح GCSE (سن 16 سالگی در بریتانیا)، زیرا، اگرچه توضیح کمی مشکوک است، (بیشتر در یک دقیقه)، الکترولیز مشکل است و گاهی اوقات چیزی می توان گفت که دانش آموزان را آنقدر جلو نزنید که مغزشان از گوششان بیرون بزند. (به قول معروف “همه مدل ها اشتباه هستند، اما برخی مفید هستند.”)

شیمیدانان نیمی از معادلات را می نویسند تا نشان دهند که الکترون ها در این نوع واکنش ها چه می کنند و به عبارت بسیار ساده، می توانیم تصور کنیم که در الکترود مثبت (که آند نیز نامیده می شود) OH^– یون‌ها الکترون‌های خود را برای تشکیل اکسیژن و آب از دست می‌دهند، مانند:

4OH^– —> 2 ساعت₂O + O₂ + 4e^–

و برعکس، در الکترود منفی (که کاتد نیز نامیده می شود)، H⁺ یون ها الکترون می گیرند تا گاز هیدروژن را تشکیل دهند، مانند:

2 ساعت⁺ + 2e^– —> اچ₂

این معادلات از نظر گونه ها و بارها متعادل می شوند. آنها به این نکته اشاره می کنند که یون های منفی به سمت آند و یون های مثبت به سمت کاتد حرکت می کنند. آنها با مشاهدات ما در مورد تشکیل گازهای اکسیژن و هیدروژن مطابقت دارند. خوب.

با این تفاوت که آزمایش، مانند این، خیلی خوب کار نمی کند (به هر حال نه با تجهیزات ساده)، زیرا آب خالص رسانای الکتریکی ضعیفی است. بله، رسانه های عمومی معتقدند که توستر در حمام مرگ حتمی در اثر برق گرفتگی است، اما این به این دلیل است که آب حمام، آب خالص نیست. همه املاح موجود در آب، از عرق یا محصولات حمام یا… هر چیز دیگری… که هدایت را انجام می دهند.

برای اینکه فرآیند کار کند، می‌توانیم کمی اسید (منبع H⁺ یون) یا قلیایی (منبع OH^– یون)، که هدایت را بهبود می بخشد، و et voilàگاز هیدروژن در کاتد و گاز اکسیژن در آند تشکیل می شود. دوست داشتني. وقتی آزمایش باتری 9 ولت اصلی خود را تنظیم کردم، جوش شیرین (هیدروژن کربنات سدیم) را اضافه کردم و به زیبایی کار کرد.

اما اکنون، ما با آن معادلات دچار مشکل می شویم. زیرا اگر مثلاً H بیش از حد بریزید⁺ یون ها به آب تبدیل می شوند و بیشتر OH موجود را «پاک می کنند».^– یون ها:

اچ⁺ + اوه^– —> اچ₂O

… پس از کجا می خواهیم 4OH بگیریم^– از معادله نیم آند؟ اگر قلیایی اضافی اضافه کنید، مشکل مشابهی است، اگر اندکی شدیدتر باشد: اکنون H بسیار کم است.⁺.

اوم بنابراین. معادلات نیمه ساده کمی فیب هستند (حتی، به احتمال زیاد، اگر از منبع یونی خنثی با pH مانند سولفات سدیم استفاده کنید، همانطور که تیم آموزش STEM انجام داد – به زیر مراجعه کنید).

حقیقت چیست؟ وقتی H به مقدار زیاد وجود دارد⁺ در حال حاضر، آنچه تقریباً به طور قطع در آند اتفاق می افتد، تقسیم آب به اکسیژن و یون های هیدروژن بیشتر است:
2 ساعت₂O —> + O₂ + 4 ساعت⁺ + 4e^–

در حالی که واکنش کاتدی مانند قبل است:
2 ساعت⁺ + 2e^– —> اچ₂

واقعاً به اندازه کافی ساده است، اما به این معنی است که ما از چیز «یون‌های منفی به سمت الکترود مثبت می‌روند» استفاده می‌کنیم، که برای دانش‌آموزان GCSE، که هنوز با پتانسیل‌های الکترود استاندارد مواجه نشده‌اند، دشوار است و به همین دلیل است ( من فکر می کنم) کتاب های درسی اغلب با OH همراه هستند^–توضیح واکنش در آند.

به همین ترتیب، در حضور قلیایی اضافی، نصف معادلات احتمالاً عبارتند از:

آند: 4OH^– —> 2 ساعت₂O + O₂ + 4e^–
کاتد: 2H₂O + 2e^– —> اچ₂ + اوه^–

این بار آنجا است مقدار زیادی OH^–، اما H بسیار کم است⁺، بنابراین معادله نیم کاتدی است که متفاوت است.

با فاصله گرفتن از معادلات برای لحظه ای، برخی از مسائل کاربردی در این آزمایش وجود دارد. یکی پین های طراحی است. شیمیدانان معمولاً از الکترودهای گرافیت یا پلاتین در آزمایشات الکترولیز استفاده می کنند زیرا آنها بی اثر هستند. اما نمونه‌های با کیفیت خوب هر دو نیز (الف) در دست گرفتن سخت‌تر و گران‌تر هستند و (ب) عبور از جعبه تیک تاک دشوارتر است. (نمونه هایی از افرادی وجود دارد که الکترولیز را با سرب های مداد به صورت آنلاین انجام می دهند، مانند این مورد – اما گرافیت موجود در مداد با ترکیبات دیگر، به ویژه خاک رس مخلوط شده است، و مستعد ترک است، بنابراین تصور می کنم این کار کمتر و کمتر خوب است. از آنچه این عکس ها نشان می دهند.)

از سوی دیگر، پین‌های طراحی از فلز ساخته شده‌اند و حاوی حداقل یکی از روی، مس یا آهن هستند که همگی می‌توانند در طی آزمایش در واکنش‌های شیمیایی دخیل باشند.

وقتی کارم را انجام دادم، فکر می‌کردم احتمالاً دارم هیدروکسید آهن (III) را می‌بینم که عمدتاً بر اساس رسوب قهوه‌ای رنگی است که نسبتاً معمولی آن ترکیب به نظر می‌رسد. یکی از تیم لوئیز پیشنهاد کرد که ممکن است یک واکنش جابجایی روی رخ دهد، که اگر پین های کشش گالوانیزه شوند، منطقی خواهد بود. هیدروکسید روی کاملا نامحلول است، بنابراین انتظار دارید که یک رسوب سفید داشته باشد. در هر صورت، تشکیل یک جامد در اطراف آند به سرعت شروع به تداخل در تولید گاز اکسیژن می کند، بنابراین شما می خواهید مشاهدات خود را سریع انجام دهید و احتمالاً اکسیژن کافی برای انجام یک آزمایش گاز قابل اعتماد جمع آوری نمی کنید.

در یکی از آزمایشات تیم آموزش STEM نشانگر آبی بروموتیمول را اضافه کرد (ویرایش: نه، این کار را نکردند، اوه، در زیر ببینید) به آب و از سولفات سدیم به عنوان (pH خنثی) منبع یون استفاده کرد. بروموتیمول آبی به تغییرات جزئی pH در حدود pH 7 حساس است: این رنگ زرد زیر pH 6 و آبی بالاتر از pH 7.6 است. اگر به عکس دقت کنید، می‌بینید که محلول اطراف آند (در سمت راست در عکس بالا، فکر می‌کنم *squint*) کمی سبز مایل به زرد به نظر می‌رسد، که نشان‌دهنده pH کمی پایین‌تر است… اما… مقدار زیادی وجود ندارد. در آن این می تواند منطقی باشد. متعادل برای H⁺ نیم معادلات نشان می دهد که در واقع H وجود دارد⁺ در اطراف هر دو الکترود می چرخیم (در یکی تشکیل می شود، در دیگری مصرف می شود)، اما ما بیشتر در اطراف آند شکل می گیریم، بنابراین انتظار داریم که pH کمی پایین تر داشته باشد.

رنگ آبی متأسفانه کمی شبیه محلول سولفات مس است، که ممکن است برای دانش‌آموزانی که تلاش می‌کنند این آزمایش‌ها را در بهترین زمان‌ها مستقیماً در سر خود نگه دارند، گیج‌کننده باشد. یکی برای صرفه جویی در کلاس های سطح A، شاید.

(بعد از اینکه من این را منتشر کردم، لوئیز توضیح داد که آزمایش در عکس در واقع سولفات مس است. اوه. بله، مردم، به نظر می رسد مانند سولفات مس است، زیرا است سولفات مس. اما فکر کردم پاراگراف بالا را فعلاً رها کنم زیرا هنوز بحث جالبی است!)

مسئله کاربردی دیگر این است که شما به تعداد زیادی جعبه تیک تاک نیاز دارید، به این معنی که یک نفر باید مقدار زیادی تیک تاک بخورد. ممکن است مشکلات بدتری وجود داشته باشد. من به جرات می گویم “تکلیف شما این است که یک جعبه تیک تاک بخورید و جعبه خالی را برای من بیاورید” در واقع بسیار محبوب خواهد بود.

بنابراین، ما اینجا هستیم. پتانسیل زیادی در اینجا وجود دارد (هاها، متاسفم): شما به راحتی می توانید مجموعه های کلاسی متعددی از این را با چند پوند جمع آوری کنید – بزرگترین هزینه، سفارش انبوه باتری های 9 ولتی است که می توانید با کمتر از 1 پوند خریداری کنید. هر کدام – و از مقادیر کمی از مواد شیمیایی بی ضرر استفاده می کند، بنابراین بسیار ایمن است. دانش‌آموزان حتی می‌توانند آزمایش خودشان را داشته باشند و مجبور نباشند در گروه‌های سه نفره یا بیشتر کار کنند، با سیم‌های دود و پاورپک‌های سه‌تایی مبارزه کنند (همه ما آنجا بوده‌ایم).

چرا آن را امتحان نمیکنید؟ و اگر دارید برای من عکس بفرستید!

---

صفحه فیس بوک Chronicle Flask را برای به روز رسانی های منظم لایک کنید یا دنبال کنید @potassium-nitrate.ir در توییتر. محتوا © Kat Day 2019 است (عکس‌ها از STEM Learning انگلستان و لوئیز هربرت). شما می توانید هر چیزی را در اینجا به اشتراک بگذارید یا به آن پیوند دهید، اما در صورت انجام باید به این سایت مراجعه کنید. اگر از خواندن وبلاگ من لذت می برید، لطفاً با استفاده از دکمه زیر از طریق Ko-fi برای من قهوه بخرید.