مسابقات کمیکار
در مسابقات کمیکار دانشجویان در قالب گروه های چند نفره ماشین های شیمیایی (Chem E Car) خود ، ماشین هایی که نیروی محرکه آنها از واکنش های شیمیایی تامین می شود، را به رقابت می گذارند. رقابتی که می تواند موجب توسعه علمی ، پژوهش و تحقیقات گروهی در دانشکده های مهندسی شیمی گردد.
در مسابقات کمیکار دانشجویان با ساخت خودروهای کوچک شیمیایی سطح علمی خود را به رقابت می گذارند. رقابت هایی که می تواند موجب نزدیک ترشدن ارتباط دانشگاه و صنعت، ایجاد انگیزه، خود باوری، نشاط تحصیلی، ارزیابی خلاقیت و ابتکار عمل تیم های دانشجویی و توجه بیشتر دانشکده های مهندسی شیمی به آموزش های کاربردی گردد.
نخستین دوره مسابقه کمیکار(Chem E car) ایران نیز آذرماه امسال با حضور بیش از ۵۰ تیم از دانشکده های مهندسی شیمی دانشگاه های سراسر کشور در سالن حجاب علم و صنعت برگزار شد. در این مسابقات دانشجویان ماشین های ساخت خود را که نیروی محرکه آن توسط انجام یک واکنش شیمیایی تامین می شد، به رقابت در آوردند. ماشین های کوچک و ساده دانشجویان نباید از ابعاد ۳۳ در ۲۰ در ۱۲ سانتیمتر فراتر طراحی می شد و تمام ماشین های شرکت کننده نیز از این قانون تبعیت کردند. ماشین های کوچک با مکانیزم شیمیایی خاص خود می بایست مسافت ۲۰ متر را با حمل ۳۰۰ سی سی آب می پیمودند. ماشین هایی که نزدیک ترین فاصله را با ۲۰ متر داشتند به عنوان تیم های برتر شناخته می شدند و ماشین هایی که از ۳۰ متر فراتر می رفتند از دور مسابقات حذف می شدند.
سوخت این ماشین ها باید به نحوی تنظیم می شد که پس از رسیدن به ۲۰ متر از حرکت بایستند. در مسابقات کمیکار میزان مسافتی که باید ماشین ها طی کنند و همچنین مقدار آبی که باید در این مسافت حمل کنند تا روز مسابقه مشخص نمی گردد، بنابراین دانشجویان خلاق و طراح باید پس از اعلام این دو مقدار قبل از شروع مسابقه، محاسبات لازم را بر اساس قدرت سوخت ماشین خود و مسافت محاسبه کنند. آنها با محاسبه سریع میزان گرم سوخت مورد نیاز در طول مسافت معین شده، سوخت لازم را به ماشین های خود وارد می کنند.
بطری های نوشابه بی مصرف، دیسکت های فشرده (CD) سوخته و بسیاری از مواد دورریختنی دیگر در هیبتی جدید و عجیب به ماشینی تبدیل می شوند.
اسید سیتریک، دی کربنات سدیم، جوش شیرین، اسید سولفوریک، دی اکسید کربن، آب اکسیژنه، پرکلرات آمونیوم، یدید پتاسیم و … بعنوان سوخت های ماشین های کوچک شیمیایی استفاده می شوند. در مسابقات کمیکار بحث از بنزین و گازوئیل و … نیست و اکثر سوخت ها، سوخت هایی سبز هستند بدون آلودگی زیست محیطی.
در مسابقات کمیکار برخی تیم ها پس از حرکت، ماشینشان متوقف می شود. برخی ماشین ها نیز منبع سوختشان تحمل فشار وارده از سوی سوخت ماشین را ندارد و منفجر می شوند. برخی ماشین ها نیز انگار دوپینگ کرده باشند، اول با سرعت فزاینده ای حرکت می کردند و به خط پایان که نزدیک می شوند آهسته آهسته حرکت می کنند.
در مسابقات کمیکار، محاسبات دقیق، خلاقیت و سطح علمی دانشجویان مهمترین ارکان موفقیت تیمها می باشند.
در دانشگاه های ایران عمده آموزش ها به صورت کلاسیک است و آموزش کلاسیک طبیعتا آموزشی از نوع بالا به پایین است. استاد درس می دهد و دانشجو یاد می گیرد و اندوخته علمی پیدا می کند. دانشجویان ما خوشبختانه در سطح منطقه و بین المللی از لحاظ تئوری خوب و قابل قبول هستند اما نقطه ضعف عمده آنها به نوع آموزش در کشور ما برمی گردد.
در ایران به کارهای گروهی توجهی چندانی نمی شود وخلاقیت، اعتماد به نفس و قدرت استدلال دانشجویان تقویت نمی شود. انجام مسابقات علمی گروهی و پژوهش های علمی گروهی می تواند این کمبودها را کم رنگ کند. مدتی که یک گروه دانشجویی روی یک موضوع خاص کار می کنند و به مطالعه و تحقیق گروهی می پردازند سبب می شود ضمن انجام کار و تحقیق علمی، تجربه کار گروهی و تیمی را در زمینه فعالیت علمی را فرا گیرند. آنها با کار گروهی خود به باور و اعتماد علمی می رسند، این همان چیزی است که در میان دانشجویان ما گم شده است و دیده نمی شود.
در دانشگاه های ایران نسبت به کشورهای پیشرفته به کارهای علمی، گروهی و پژوهشی اهمیت کمتری داده می شود. آنها از ابتدا دانشجویان را با کارهای علمی گروهی و تیمی آشنا می کنند. دانشجویان آن کشورها به هیچ وجه در قیاس با دانشجویان ایرانی از نظر تئوری برابری نمی کنند و در مسائل تئوری مطالب علمی ضعیف تر هستند اما چون کارگروهی علمی انجام داده اند جسارت پیدا کرده اند و با اینکه از لحاظ تئوری ضعیف تر از ما هستند، کارهای بزرگ علمی و تحقیقات کاربردی سرنوشت سازی را انجام می دهند. آنها از شکست نمی هراسند و در عمل موفق می شوند. در صورتی که دانشجویان ایرانی جسارت ندارد و از شکست می ترسد. دانشجوی ایرانی هراسان است و با اجرای برنامه های عملی و گروهی باید اعتماد به نفس و جسارت را در آنها تقویت نمود تا با بهره مندی از آموزش های تئوری به موفقیت های بزرگ و اساسی عملی برسند.
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 پدیده های اکسایش کاهش است. روابط بین تغییر شیمیایی و انرژی الکتریکی ، هم از لحاظ نظری و هم از لحاظ عملی حائز اهمیت است.
از واکنشهای شیمیایی می توان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد (در سلولهایی که سلولهای ولتایی یا سلولهای گالوانی نامیده می شوند) و انرژی الکتریکی را می توان برای تبادلات شیمیایی بکار برد (در سلولهای الکترولیتی). علاوه بر این مطالعه فرآیندهایی الکتروشیمیایی منجر به فهم و تنظیم قواعد آنگونه از پدیده های اکسایش کاهش که خارج از اینگونه سلولها روی می دهند، نیز می شود. با برخی فرآیندهای الکتروشیمیایی آشنا می شویم.
رسانش فلزی
جریان الکتریکی جاری شدن بار الکتریکی است. در فلزات ، این بار بوسیله الکترونها حمل می شود و این نوع رسانش الکتریکی ، رسانش فلزی نامیده می شود. با به کار بردن یک نیروی الکتریکی که توسط یک باتری یا هر منبع الکتریکی دیگر تامین می گردد، جریان الکتریکی حاصل می شود 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 به صورت جریانی از سیال الکتریکی توصیف می شد.
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 می دهد. 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 می شود، توصیف می گردد.
جریان الکتریکی برحسب آمپر (A) و بار الکتریکی برحسب (C) کولن اندازه گیری می شود. کولن مقدار الکترویسیته است که در یک ثانیه با جریان ۱ آمپر از نقطه ای می گذرد: ۱C = ۱A.S و ۱A = ۱C/S جریان با اختلاف پتانسیل الکتریکی که بر حسب ولت اندازه گیری می شود، در مدار رانده می شود. یک ولت برابر یک ژول بر کولن است. ۱V = ۱J/C یا ۱V.C = ۱J یک ولت لازم است تا یک آمپر جریان را از مقاومت یک اهم بگذراند. I=۹۴۹;/R یا ۹۴۹;=IR
رسانش الکترولیتی
رسانش الکترولیت هنگامی صورت می گیرد که یونهای الکترولیت بتوانند آزادانه حرکت کنند، چون در این مورد ، یونها هستند که بار الکتریکی را حمل می کنند. به همین دلیل است که رسانش الکترولیتی اساس توسط نمکهای مذاب و محلولهای آبی الکترولیتها صورت می گیرد. علاوه بر این برای تداوم جریان در یک رسانای الکتنرولیتی لازم است که حرکت یونها با تغییر شیمیایی همراه باشد. منبع جریان در یک سلول الکترولیتی ، الکترونها را به الکترود سمت چپ می راند.
بنابراین می توان گفت که این الکترود بار منفی پیدا می کند. این الکترونها از الکترود مثبت سمت راست کشیده می شوند. در میدان الکتریکی که بدین ترتیب بوجود می آید، یونهای مثبت یا کاتیونها به طرف قطب منفی یا کاتد و یونهای منفی یا آنیونها به طرف قطب مثبت یا آند جذب می شوند. در رسانش الکترولیتی ، بار الکتریکی بوسیله کاتیونها به طرف کاتد و بوسیله آنیونها که در جهت عکس به طرف آند حرکت می کنند، حمل می شود.
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 و در نتیجه آن اجزا اکسید شوند. الکترونها از منبع جریان خارج شده به طرف کاتد رانده می شوند.
عوامل موثر بر رسانش الکترولیتی
رسانش الکترولیتی به تحرک یونها مربوط می شود و هر چند که این یونها را از حرکت باز دارد، موجب ایجاد مقاومت در برابر جریان می شود. 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 می شود و بنابراین مقاومت رساناهای الکترولیتی ، بطور کلی با افزایش دما کاهش می یابد. یعنی رسانایی زیاد می شود. به علاوه اثر هر یک از سه عامل مذکور با زیاد شدن دما کم می شود.
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 می روند. اما چنانکه بعضی از محلولهای آبی را برقکافت کنیم آب به جای یونهای حاصل از ماده حل شده در واکنشهای الکترودی دخالت می کند. از اینرو ، یونهای حامل جریان لزوما بار خود را در الکترودها خالی نمی کنند. مثلا در برقکافت محلول آبی سدیم سولفات ، یونهای سدیم به طرف کاتد و یونهای سولفات به طرف آند حرکت می کنند. اما بار این هر دو یون با اشکال تخلیه می شود.
بدین معنی که وقتی عمل برقکافت بین دو الکترود بی اثر در جریان است، در کاتد گاز هیدروژن بوجود می آید و محلول پیرامون الکترود قلیایی می شود:
(۲ H۲O + ۲e → ۲OH + H۲(g
یعنی در کاتد کاهش صورت می گیرد ولی به جای کاهش سدیم ، آب کاهیده می شود. بطور کلی هر گاه کاهش کاتیون ماده حل شده مشکل باشد، کاهش آب صورت می گیرد. اکسایش در آند صورت می گیرد و در برقکافت محلول آبی Na۲SO۴ ، آنیونها (۲ SO۴) که به طرف آند مهاجرت می کنند، به سختی اکسید می شوند:
۲SO۴۲ → S۲O۴۲ + ۲e
بنابراین ترجیها اکسایش آب صورت می گیرد:
۲H۲O → O۲(g) + ۴H+ + ۴e
یعنی در آند تولید گاز اکسیژن مشاهده می شود و محلول پیرامون این قطب اسیدی می شود. بطور کلی هر گاه اکسایش آنیون ماده حل شده مشکل باشد، آب در آند اکسید می شود. در الکترولیز محلول آبی NaCl در آند یونهای Cl اکسید می شوند و گاز Cl۲ آزاد می کنند و در کاتد احیای آب صورت می گیرد. این فرآیند منبع صنعتی برای گاز هیدروژن ، گاز کلر و سدیم هیدروکسید است:
۲H۲O + ۲Na+ + ۲Cl → H۲(g) + ۲OH + ۲Na+ + Cl۲(g)
سلولهای ولتایی
سلولی که به عنوان منبع انرژی الکتریکی بکار می رود، یک سلول ولتایی یا یک سلول گالوانی نامیده می شود که از نام آلساندرو ولتا (۱۸۰۰) و لوئیجی گالوانی (۱۷۸۰) ، 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 می شود.
(Zn(s) + Cu۲+(aq) → Zn۲+(aq) + Cu(s
مکانیسم دقیقی که بر اساس آن انتقال الکترون صورت گیرد، شناخته نشده است. ولی می دانیم که در آند فلز روی اکسید می شود و در کاتد ، یونهای Cu+۲ احیا می شود و به ترتیب یونهای Zn+۲ و فلز Cu حاصل می شود و الکترونها از الکترود روی به الکترود مس که با یک سیم به هم متصل شده اند، جاری می شوند، یعنی از آند به کاتد.
Zn(s) → Zn۲+(aq) + ۲e
(Cu۲+(aq)+۲e → Cu(s
نیم سلول سمت چپ یا آند ، شامل الکترودی از فلز روی و محلول ZnSO۴ و نیم سلول سمت راست یا کاتد شامل الکترودی از فلز مس در یک محلول CuSO۴ است. این دو نیم سلول ، توسط یک دیواره متخلخل از هم جدا شده اند. این دیواره از اختلال مکانیکی محلولها ممانعت می کند ولی یونها تحت تاثیر جریان الکتریسیته از آن عبور می کنند. این نوع سلول الکتریکی ، سلول دانیل نامیده می شود.
نیروی محرکه الکتریکی
اگر در یک سلول دانیل ، محلولهای ۱M از ZnSO۴ و ۱M از CuSO۴ بکار رفته باشد، آن سلول را با نماد گذاری زیر نشان می دهیم:
(Zn(s) ? Zn۲+(۱M) ? Cu۲+(۱M) ? Cu(s
که در آن خطوط کوتاه عمودی ، حدود فازها را نشان می دهند. بنابر قرارداد ، ماده تشکیل دهنده آند را اول و ماده تشکیل دهنده کاتد را در آخر می نویسیم و مواد دیگر را به ترتیبی که از طرف آند به کاتد با آنها برخورد می کنیم، میان آنها قرار می دهیم. جریان الکتریکی تولید شده در یک سلول ولتایی ، نتیجه “نیروی محرکه الکتریکی” (emf) سلول است که برحسب ولت اندازه گیری می شود.
هز 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، ?۹۴۹; ، مربوط به نیروی محرکه سلولی است که در آن تمام واکنش دهنده ها و محصولات واکنش در حالت استاندارد خود باشند. مقادیر ?۹۴۹; معمولا برای اندازه گیریهایی که در ۲۵ C به عمل آمده است، معین شده است.
