دانلود تحقیق شیمی فیزیک

شیمی فیزیک (Physical chemistry) بخشی از علم شیمی است که در آن ، از اصول و قوانین فیزیکی ، برای حل مسائل شیمیایی استفاده می‌شود.

به عبارت دیگر ، هدف از شیمی فیزیک ، فراگیری اصول نظری فیزیک در توجیه پدیده‌های شیمیایی است.

برای آشنایی بیشتر با علم شیمی فیزیک ، باید با زیر مجموعه‌های این علم آشنا شویم و اهداف این علم را در دل این زیر مجموعه‌ها بیابیم.

ترمودینامیک شیمیایی تعیین سمت و سوی واکنش ترمودینامیک شیمیایی در عمل ، برقراری چهارچوبی برای تعیین امکان پذیربودن یا خود به خود انجام شدن تحولی فیزیکی یا شیمیایی معین است.

به عنوان مثال ، ممکن است به حصول معیاری جهت تعیین امکان پذیر بودن تغییری از یک فاز به فاز دیگر بطور خود به خود مانند تبدیل گرافیت به الماس یا با تعیین سمت و سوی خود به خود انجام شدن واکنشی زیستی که در سلول اتفاق می‌افتد، نظر داشته باشیم.

در حلاجی این نوع مسائل ، چند مفهوم نظری و چند تابع ریاضی دیگر بر مبنای قوانین اول و دوم ترمودینامیک و برحسب توابع انرژی گیبس ابداع شده‌اند که شیوه‌های توانمندی برای دستیابی به پاسخ آن مسائل ، در اختیار قرار داده‌اند.

تعادل پس از تعیین شدن سمت و سوی تحولی طبیعی ، ممکن است علم بر میزبان پیشرفت آن تا رسیدن به تعادل نیز مورد توجه باشد.

به عنوان نمونه ، ممکن است حداکثر راندمان تحولی صنعتی یا قابلیت انحلال دی‌اکسید کربن موجود در هوا ، در آبهای طبیعی یا تعیین غلظت تعادلی گروهی از متابولیتها ( Metabolites ) در یک سلول مورد نظر باشد.

روشهای ترمودینامیکی ، روابط ریاضی لازم برای محاسبه و تخمین چنین کمیت‌هایی را بدست می‌دهد.

گرچه هدف اصلی در ترمودینامیک شیمیایی ، تجزیه و تحلیل در بررسی امکان خود به خود انجام شدن یک تحول و تعادل می‌باشد، ولی علاوه بر آن ، روشهای ترمودینامیکی به بسیاری از مسائل دیگر نیز قابل تعمیم هستند.

مطالعه تعادلهای فاز ، چه در سیستم‌های ایده آل و چه در غیر آن ، پایه و اساس کار برای کاربرد هوشمندانه روشهای استخراج ، تقطیر و تبلور به عملیات متالوژی و درک گونه‌های کانی‌ها در سیستم‌های زمین‌ شناسی می‌باشد.

تغییرات انرژی همین طور ، تغییرات انرژی ، همراه با تحولی فیزیکی یا شیمیایی ، چه به صورت کار و چه به صورت گرما مورد توجه جدی قرار دارند؛ این تحول ممکن است احتراق یک سوخت ، شکافت هسته اورانیوم یا انتقال یک متابولیت در بستر گرادیان غلظت باشد.

مفاهیم و روشهای ترمودینامیکی ، نگرشی قوی برای درک چنان مسائلی را فراهم می آورد که در شیمی فیزیک مورد بررسی قرار می‌گیرند.

الکتروشیمی تمام واکنش‌های شیمیایی ، اساسا ماهیت الکتریکی دارند؛ زیرا الکترونها ، در تمام انواع پیوندهای شیمیایی (به راههای گوناگون) دخالت دارد.

اما الکتروشیمی ، بیش ار هر چیز بررسی پدیده های اکسایش- کاهش (Oxidation - Reduction) است.

روابط بین تغییر شیمیایی و انرژی الکتریکی ، هم از لحاظ نظری و هم از لحاظ عملی حائز اهمیت است.

از واکنش‌های شیمیایی می‌توان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد، (در سلولهایی که "سلولها یا پیلهای ولتایی" یا "سلولهای گالوانی" نامیده می‌شوند) و انرژی الکتریکی را می‌توان برای تبادلات شیمیایی بکار برد (در سلولهای الکترولیتی).

علاوه بر این، مطالعه فرایندهای الکتروشیمیایی منجر به فهم و تنظیم قواعد آن گونی از پدیده های اکسایش- کاهش که خارج از این گونه سلولها یا پیلها روی می دهد نیز می‌شود.

سینتیک شیمیایی (Chemical Kinetic) سینتیک شیمیایی عبارت از بررسی سرعت واکنش‌های شیمیایی است.

سرعت یک واکنش شیمیایی را عوامل معدودی کنترل می‌کنند.

بررسی این عوامل ، راههایی را نشان می‌دهد که در طی آنها ، مواد واکنش‌دهنده به محصول واکنش تبدیل می‌شوند.

توضیح تفضیلی مسیر انجام واکنش بر مبنای رفتار اتم‌ها ، مولکول‌ها و یون‌ها را "مکانیسم واکنش" می‌نامیم.

در ترمودینامیک و الکتروشیمی ، کارها پیش‌بینی انجام واکنش بود؛ اما مشاهدات صنعتی ، نتایج ترمودینامیک شیمیایی را به نظر تایید نمی‌کند.

در این حالت نبایستی فکر کنیم که پیش بینی ترمودینامیک اشتباه بوده است؛ چون ترمودینامیک کاری با میزان پیشرفت واکنش و نحوه انجام فرایندها ندارد.

نظر به اهمیت انجام فرایندها از نظر بهره زمانی ، لازم است که عامل زمان در بررسی فرایندها وارد شود.

به عنوان مثال ، کاتالیزورهای بخصوصی به نام "آنزیم‌ها" در تعیین این که کدام واکنش در سیستمهای زیستی با سرعت قابل ملاحظه به راه بیافتد، عواملی مهم هستند.

مثلا مولکول "تری فسفات آدنوزین" (Adnosine triphosphate) از لحاظ ترمودینامیکی در محلولهای آبی ناپایدار بوده و باید هیدرولیز گردیده و به "دی فسفات آدنوزین" و یک فسفات معدنی تجزیه شود.

در صورتی که این واکنش در غیاب آنزیمی ویژه ، "آدنوزین تری فسفاتاز" ، بسیار کند می‌باشد.

در واقع همین کنترل ترمودینامیکی سمت و سوی واکنش‌ها به همراه کنترل سرعت آنها توسط آنزیمهاست که موجودیت سیستمی با تعادل بسیار ظریف ، یعنی سلول زنده را مقدور می‌سازد.

بیشتر واکنش‌های شیمیایی طی مکانیسمهای چند مرحله‌ای صورت می‌گیرند.

هرگز نمی‌توان اطمینان داشت که یک مکانیسم پیشنهاد شده ، بیانگر واقعیت باشد.

مکانیسم واکنشها تنها حدس و گمانهایی بر اساس بررسیهای سینتیکی‌اند.

ارتباط شیمی فیزیک با سایر علوم همانطور که عنوان شد و از نام شیمی فیزیک پیداست، این علم ، مسائل و پدیده‌های شیمیایی را با اصول و قوانین فیزیک توجیه می‌کند و ارتباط تنگاتنگی میان شیمی و فیزیک برقرار می‌کند.

علاوه بر آن ، روابط بسیار پیچیده شیمیایی با زبان ریاضی ، مرتب و طبقه‌بندی شده و قابل فهم می‌گردد.

بسیاری از پدیده‌های زیستی مانند سوخت و ساز مواد غذایی در سلولهای بدن با علم شیمی فیزیک توجیه می‌شود و این ، ارتباط شیمی فیزیک را با زیست شناسی و به تبع آن پزشکی بیان می‌کند.

بسیاری از پدیده های طبیعی که به صورت خود به خودی انجام می‌گیرد، همانند تبدیل خود به خودی الماس به گرافیت ، با علم شیمی فیزیک توجیه می‌شود.

کاربردهای شیمی فیزیک ارتباط شیمی فیزیک با سایر علوم ، کاربردهای اقتصادی و اجتماعی این علم را بیان می‌کند.

به عنوان مثال ، با مطالعه الکتروشیمی ، به پایه و اساس پدیده‌های طبیعی مانند خوردگی فلزات پی برده و می‌توان از ضررهای اقتصادی و اجتماعی چنین پدیده‌هایی جلوگیری کرده و یا این پدیده‌ها را به مسیری مفید برای جامعه سوق داد.

علاوه بر آن ، کاربرد قوانین ترمودینامیک مانند "نقطه اتکیتک" در جلوگیری از ضررهای جانی و مالی پدیده‌های طبیعی مانند یخ بندان بعد از بارش برف ، بسیار مفید می‌باشد (مخلوط کردن برف و نمک بر اساس نقطه اتکیتک(.

فراموش نکنیم که تمامی باطری‌ها و پیلهایی که وسایل زندگی ما با نیروی آنها بکار گرفته می‌شوند، براساس قوانین شیمی فیزیک ساخته شده‌اند.

الکتروشیمی دید کلی تمام واکنشهای شیمیایی ، اساسا ماهیت الکتریکی دارند، زیرا الکترونها در تمام انواع پیوندهای شیمیایی (به راههای گوناگون) دخالت دارند.

اما الکتروشیمی بیش از هر چیز بررسی پدیده‌های اکسایش- کاهش است.

از واکنشهای شیمیایی می‌توان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد (در سلولهایی که سلولهای ولتایی یا سلولهای گالوانی نامیده می‌شوند) و انرژی الکتریکی را می‌توان برای تبادلات شیمیایی بکار برد (در سلولهای الکترولیتی).

علاوه بر این ، مطالعه فرآیندهایی الکتروشیمیایی منجر به فهم و تنظیم قواعد آنگونه از پدیده‌های اکسایش - کاهش که خارج از اینگونه سلولها روی می‌دهند، نیز می‌شود.

با برخی فرآیندهای الکتروشیمیایی آشنا می‌شویم.

رسانش فلزی جریان الکتریکی ، جاری شدن بار الکتریکی است.

در فلزات ، این بار بوسیله الکترونها حمل می‌شود و این نوع رسانش الکتریکی ، رسانش فلزی نامیده می‌شود.

با بکار بردن یک نیروی الکتریکی که توسط یک باتری یا هر منبع الکتریکی دیگر تامین می‌گردد، جریان الکتریکی حاصل می‌شود و برای تولید جریان الکتریکی ، یک مدار کامل لازم است.

تشبیه جریان الکتریسیته به جریان یک مایع ، از قدیم متداول بوده است.

در زمانهای گذشته ، الکتریسیته به‌صورت جریانی از سیال الکتریکی توصیف می‌شد.

قراردادهای قدیمی که سابقه آنها ممکن است به "بنجامین فرانکلین" برسد و پیش از آن که الکترون کشف شود، مورد پذیرش بوده است، بار مثبتی به این جریان نسبت می‌دهد.

ما مدارهای الکتریکی را با حرکت الکترونها توجیه خواهیم کرد.

اما باید به خاطر داشت که جریان الکتریکی بنا به قرارداد بطور اختیاری مثبت و به صورتی که در جهت مخالف جاری می‌شود، توصیف می‌گردد.

جریان الکتریکی برحسب آمپر (A) و بار الکتریکی برحسب (C) کولن اندازه گیری می‌شود.

کولن ، مقدار الکتریسیته است که در یک ثانیه با جریان 1 آمپر از نقطه‌ای می‌گذرد: 1C = 1A.S و 1A = 1C/S .

جریان با اختلاف پتانسیل الکتریکی که بر حسب ولت اندازه گیری می‌شود، در مدار رانده می‌شود.

یک ولت برابر یک ژول بر کولن است.

1V = 1J/C یا 1V.C = 1J .

یک ولت لازم است تا یک آمپر جریان را از مقاومت یک اهم بگذراند.

I=ε/R یا ε=IR رسانش الکترولیتی رسانش الکترولیت ، هنگامی صورت می‌گیرد که یونهای الکترولیت بتوانند آزادانه حرکت کنند، چون در این مورد ، یونها هستند که بار الکتریکی را حمل می‌کنند.

به همین دلیل است که رسانش الکترولیتی ، اساس توسط نمکهای مذاب و محلولهای آبی الکترولیتها صورت می‌گیرد.

علاوه بر این ، برای تداوم جریان در یک رسانای الکترولیتی لازم است که حرکت یونها با تغییر شیمیایی همراه باشد.

منبع جریان در یک سلول الکترولیتی ، الکترونها را به الکترود سمت چپ می‌راند.

بنابراین می‌توان گفت که این الکترود ، بار منفی پیدا می‌کند.

این الکترونها از الکترود مثبت سمت راست کشیده می‌شوند.

در میدان الکتریکی که بدین ترتیب بوجود می‌آید، یونهای مثبت یا کاتیونها به طرف قطب منفی یا کاتد و یونهای منفی یا آنیونها به طرف قطب مثبت یا آند جذب می‌شوند.

در رسانش الکترولیتی ، بار الکتریکی بوسیله کاتیونها به طرف کاتد و بوسیله آنیونها که در جهت عکس به طرف آند حرکت می‌کنند، حمل می‌شود.

برای این که یک مدار کامل حاصل شود، حرکت یونها باید با واکنشهای الکترودی همراه باشد.

در کاتد ، اجزای شیمیایی معینی (که لازم نیست حتما حامل بار باشند) باید الکترونها را بپذیرند و کاهیده شوند و در آند ، الکترونها باید از اجزای شیمیایی معینی جدا شده ، در نتیجه آن ، اجزا اکسید شوند.

الکترونها از منبع جریان خارج شده ، به طرف کاتد رانده می‌شوند.

عوامل موثر بر رسانش الکترولیتی رسانش الکترولیتی به تحرک یونها مربوط می‌شود و هر چند که این یونها را از حرکت باز دارد، موجب ایجاد مقاومت در برابر جریان می‌شود.

عواملی که بر رسانش الکترولیتی محلولهای الکترولیت اثر دارند، عبارتند از : جاذبه بین یونی ، حلال پوشی یونها و گرانروی حلال.

انرژی جنبشی متوسط یونهای ماده حل شده با افزایش دما زیاد می‌شود و بنابراین مقاومت رساناهای الکترولیتی ، بطور کلی با افزایش دما کاهش می‌یابد.

یعنی رسانایی زیاد می‌شود.

به‌علاوه ، اثر هر یک از سه عامل مذکور با زیاد شدن دما کم می‌شود.

الکترولیز (برقکافت) الکترولیز یا برقکافت سدیم کلرید مذاب ، یک منبع صنعتی تهیه فلز سدیم و گاز کلر است.

روشهای مشابهی برای تهیه دیگر فلزات فعال ، مانند پتاسیم و کلسیم بکار می‌روند.

اما چنانکه بعضی از محلولهای آبی را برقکافت کنیم، آب به جای یونهای حاصل از ماده حل شده در واکنشهای الکترودی دخالت می‌کند.

از اینرو ، یونهای حامل جریان لزوما بار خود را در الکترودها خالی نمی‌کنند.

مثلا در برقکافت محلول آبی سدیم سولفات ، یونهای سدیم به طرف کاتد و یونهای سولفات به طرف آند حرکت می‌کنند، اما بار این هر دو یون با اشکال تخلیه می‌شود.

بدین معنی که وقتی عمل برقکافت بین دو الکترود بی‌اثر در جریان است، در کاتد ، گاز هیدروژن بوجود می‌آید و محلول پیرامون الکترود ، قلیایی می‌شود: (2H2O + 2e → 2OH- + H2(g یعنی در کاتد ، کاهش صورت می‌گیرد، ولی به جای کاهش سدیم ، آب کاهیده می‌شود.

بطور کلی ، هرگاه کاهش کاتیون ماده حل شده مشکل باشد، کاهش آب صورت می‌گیرد.

اکسایش در آند صورت می‌گیرد و در برقکافت محلول آبی Na2SO4 ، آنیونها (2-SO4) که به طرف آند مهاجرت می‌کنند، به‌سختی اکسید می‌شوند: 2SO42- → S2O42- + 2e بنابراین ترجیهاً اکسایش آب صورت می‌گیرد: 2H2O → O2(g) + 4H+ + 4e یعنی در آند ، تولید گاز اکسیژن مشاهده می‌شود و محلول پیرامون این قطب ، اسیدی می‌شود.

بطور کلی هرگاه اکسایش آنیون ماده حل شده مشکل باشد، آب در آند اکسید می‌شود.

در الکترولیز محلول آبی NaCl ، در آند ، یونهای -Cl اکسید می‌شوند و گاز Cl2 آزاد می‌کنند و در کاتد ، احیای آب صورت می‌گیرد.

این فرآیند ، منبع صنعتی برای گاز هیدروژن ، گاز کلر و سدیم هیدروکسید است: 2H2O + 2Na+ + 2Cl- → H2(g) + 2OH- + 2Na+ + Cl2 سلولهای ولتایی سلولی که به‌عنوان منبع انرژی الکتریکی بکار می‌رود، یک سلول ولتایی یا یک سلول گالوانی نامیده می‌شود که از نام "آلساندرو ولتا" (1800) و "لوئیجی گالوانی" (1780) ، نخستین کسانی که تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی را مورد آزمایش قرار دادند، گرفته شده است.

واکنش بین فلز روی و یونهای مس II در یک محلول ، نمایانگر تغییری خود به خود است که در جریان آن ، الکترون منتقل می‌شود.

(Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s مکانیسم دقیقی که بر اساس آن انتقال الکترون صورت گیرد، شناخته نشده است.

ولی می‌دانیم که در آند ، فلز روی اکسید می‌شود و در کاتد ، یونهای Cu+2 احیا می شود و به ترتیب یونهای Zn+2 و فلز Cu حاصل می‌شود و الکترونها از الکترود روی به الکترود مس که با یک سیم به هم متصل شده‌اند، جاری می‌شوند، یعنی از آند به کاتد.

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e (Cu2+(aq)+2e → Cu(s نیم سلول سمت چپ یا آند ، شامل الکترودی از فلز روی و محلول ZnSO4 و نیم سلول سمت راست یا کاتد ، شامل الکترودی از فلز مس در یک محلول CuSO4 است.

این دو نیم سلول ، توسط یک دیواره متخلخل از هم جدا شده‌اند.

این دیواره از اختلال مکانیکی محلولها ممانعت می‌کند، ولی یونها تحت تاثیر جریان الکتریسیته از آن عبور می‌کنند.

این نوع سلول الکتریکی ، سلول دانیل نامیده می‌شود.

نیروی محرکه الکتریکی اگر در یک سلول دانیل ، محلولهای 1M از ZnSO4 و 1M از CuSO4 بکار رفته باشد، آن سلول را با نماد گذاری زیر نشان می‌دهیم: (Zn(s) │ Zn2+(1M) │ Cu2+(1M) │ Cu(s که در آن خطوط کوتاه عمودی ، حدود فازها را نشان می‌دهند.

بنابر قرارداد ، ماده تشکیل دهنده آند را اول و ماده تشکیل دهنده کاتد را در آخر می‌نویسیم و مواد دیگر را به ترتیبی که از طرف آند به کاتد با آنها برخورد می‌کنیم، میان آنها قرار می‌دهیم.

جریان الکتریکی تولید شده در یک سلول ولتایی ، نتیجه نیروی محرکه الکتریکی (emf) سلول است که برحسب ولت اندازه گیری می‌شود.

هر چه تمایل وقوع واکنش سلول بیشتر باشد، نیوری محرکه الکتریکی آن بیشتر خواهد بود.

اما emf یک سلول معین به دما و غلظت موادی که در آن بکار رفته است، بستگی دارد.

emf استاندارد، ˚ε ، مربوط به نیروی محرکه سلولی است که در آن تمام واکنش دهنده‌ها و محصولات واکنش در حالت استاندارد خود باشند.

مقادیر ˚ε معمولا برای اندازه گیری‌هایی که در ˚25C به عمل آمده است، معین شده است.