سوال درس خوردگی پیشرفته

•  برای انتخاب بهترین جفت الکترود برای ساخت یک سلول گالوانی، باید دو فاکتور پتانسیل استاندارد و جریان تبادل استاندارد را در نظر بگیریم.
• پتانسیل استاندارد (E^0) برای زینک (Zn) مقداری منفی است، یعنی -0.76 ولت در مقابل الکترود استاندارد هیدروژن (SHE). 
  این مقدار برای هر دو جفت الکترود Zn/Pt و Zn/Au بالا است، چون پتانسیل استاندارد برای طلا (Au) و پلاتین (Pt) مثبت است و بیشتر از زینک هستند. بنابراین، هر دو جفت الکترود می‌تانند به عنوان کاتد عمل کنند و زینک به عنوان آند.
• اما جریان تبادل استاندارد (i_0,h) برای هر متریال نشان‌دهنده سرعت واکنش‌های الکتروشیمیایی در سطح الکترود است.
   جریان تبادل استاندارد بالاتر به معنای کینتیک واکنش بهتر و راه‌اندازی سریع‌تر سلول گالوانی است.
   بر اساس اطلاعات داده شده، جریان تبادل استاندارد برای پلاتین (Pt) بسیار بیشتر از طلا (Au) است (1.0 x 10^-3 در مقابل 3.2 x 10^-7 آمپر بر سانتی‌متر مربع).
• بنابراین، با توجه به اینکه جریان تبادل استاندارد برای پلاتین بسیار بالاتر از طلا است، جفت الکترود Zn/Pt کینتیک واکنش بهتری دارد و سلول گالوانی ساخته شده با این جفت الکترود، عملکرد بهتری خواهد داشت. پس جفت الکترود Zn/Pt بهترین انتخاب برای تشکیل یک سلول گالوانی است بر اساس معیارهای مرتبط با پتانسیل استاندارد و جریان تبادل استاندارد.

برای حل این مسئله، ابتدا باید دیاگرام ایوانز را برای دو کوپل Zn/Au و Zn/Pt در محلول اسید رقیق رسم کنیم.

دیاگرام ایوانز برای کوپل Zn/Au

در پنجره جدیدی باز می‌شود

abadis.ir

دیاگرام ایوانز برای کوپل Zn/Au

در این دیاگرام، محور افقی چگالی جریان تبادلی (j) و محور عمودی پتانسیل (η) را نشان می‌دهد. خطوط پررنگ خطوط تعادلی برای واکنش‌های اکسیداسیون و احیا هستند. خطوط نازک خطوط قطبی برای واکنش‌های اکسیداسیون و احیا هستند.

در این دیاگرام، خط تعادلی برای واکنش اکسیداسیون Zn به Zn2+ در پتانسیل EZn = -0.76 V در برابر SHE قرار دارد. خط قطبی برای واکنش اکسیداسیون Zn به Zn2+ در محلول اسید رقیق در پتانسیل η1 قرار دارد. خط قطبی برای واکنش احیای H+ به H2 در سطح Au در پتانسیل η2 قرار دارد.

دیاگرام ایوانز برای کوپل Zn/Pt

در این دیاگرام، خط تعادلی برای واکنش اکسیداسیون Zn به Zn2+ در پتانسیل EZn = -0.76 V در برابر SHE قرار دارد. خط قطبی برای واکنش اکسیداسیون Zn به Zn2+ در محلول اسید رقیق در پتانسیل η3 قرار دارد. خط قطبی برای واکنش احیای H+ به H2 در سطح Pt در پتانسیل η4 قرار دارد.

تعیین عامل مؤثرتر

با مقایسه دیاگرام‌های ایوانز برای دو کوپل Zn/Au و Zn/Pt، می‌توان مشاهده کرد که خط تعادلی برای هر دو کوپل در یک پتانسیل قرار دارد. با این حال، خطوط قطبی برای واکنش اکسیداسیون Zn به Zn2+ در دو کوپل در پتانسیل‌های مختلف قرار دارند. این نشان می‌دهد که چگالی جریان تبادلی برای واکنش اکسیداسیون Zn به Zn2+ در دو کوپل Zn/Au و Zn/Pt متفاوت است.

در کوپل Zn/Au، چگالی جریان تبادلی برای واکنش اکسیداسیون Zn به Zn2+ (j1) بسیار کمتر از چگالی جریان تبادلی برای واکنش احیای H+ به H2 در سطح Au (j2) است. این نشان می‌دهد که واکنش احیای H+ به H2 در سطح Au سرعت‌دهنده فرآیند خوردگی فلز Zn در کوپل Zn/Au است.

در کوپل Zn/Pt، چگالی جریان تبادلی برای واکنش اکسیداسیون Zn به Zn2+ (j3) بسیار بیشتر از چگالی جریان تبادلی برای واکنش احیای H+ به H2 در سطح Pt (j4) است. این نشان می‌دهد که واکنش اکسیداسیون Zn به Zn2+ سرعت‌دهنده فرآیند خوردگی فلز Zn در کوپل Zn/Pt است.

بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که چگالی جریان تبادلی در تعیین سرعت خوردگی فلزات مؤثرتر از پتانسیل تعادلی است.

توضیح

در فرآیند خوردگی فلز، فلز به یون‌های فلزی اکسید می‌شود و یون‌های هیدروژن در محلول اسید به هیدروژن احیا می‌شوند. سرعت این فرآیند توسط چگالی جریان تبادلی تعیین می‌شود. چگالی جریان تبادلی تعداد یون‌های فلزی که در واحد زمان از سطح فلز عبور می‌کنند و به یون‌های فلزی تبدیل می‌شوند را نشان می‌دهد.

پتانسیل تعادلی نیز در فرآیند خوردگی فلز نقش دارد. پتانسیل تعادلی اختلاف پتانسیل بین فلز و محلول اسید را نشان می‌دهد. هرچه پتانسیل تعادلی فلز منفی‌تر باشد، احتمال اکسید شدن فلز بیشتر است.

با این حال، در بسیاری از موارد، چگالی جریان تبادلی نقش مهم‌تری در تعیین سرعت خوردگی فلز دارد. این به این دلیل است که چگالی جریان تبادلی مستقیماً با سرعت فرآیند خوردگی مرتبط است، در حالی که پتانسیل تعادلی فقط احتمال اکسید شدن فلز را نشان می‌دهد.

در مسئله مورد بحث، چگالی جریان تبادلی برای واکنش اکسیداسیون Zn به Zn2+ در دو کوپل Zn/Au