با هم بیندیشیم شیمی دوازدهم
۱- با توجه به شکل زیر، به پرسش‌های زیر پاسخ دهید:
[تصویر فرایند زنگ زدن آهن در محیط آبی]
آ) چگونگی تشکیل زنگ آهن را توصیف کنید.
ب) هر یک از نیم‌واکنش‌های زیر را موازنه کنید:
$$\text{Fe}(\text{s}) \longrightarrow \text{Fe}^{2+}(\text{aq}) + \ldots$$
$$\text{O}_2(\text{g}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) + \ldots \longrightarrow \text{OH}^-(\text{aq})$$
پ) با توجه به اینکه زنگ آهن حاوی یون آهن ($ ext{III}$) است، نیم‌واکنش اکسایش یون آهن ($ ext{II}$) به یون آهن ($ ext{III}$) را بنویسید.
ت) فرآورده نهایی خوردگی، زنگ آهن است. اگر فرمول شیمیایی آن را $\text{Fe}(\text{OH})_3$ در نظر بگیریم، معادله واکنش زیر را به روش وارسی موازنه کنید:
$$\text{Fe}(\text{s}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) + \text{O}_2(\text{g}) \longrightarrow \text{Fe}(\text{OH})_3(\text{s})$$
پاسخ تشریحی و گام به گام با هم بیندیشیم شیمی دوازدهم صفحه 57
**زنگ زدن آهن** یک فرآیند **الکتروشیمیایی** پیچیده است که نیاز به حضور همزمان آب و اکسیژن دارد. این فرآیند نوعی **خوردگی** محسوب می‌شود.
---
## الف) پاسخ و توضیح با هم بیندیشیم شیمی دوازدهم صفحه 57
**توصیف چگونگی تشکیل زنگ آهن:**
تشکیل زنگ آهن یک فرآیند ردوکس است که در دو ناحیه مختلف قطعه فلز رخ می‌دهد:
1. **آند (اکسایش):** اتم‌های آهن ($ ext{Fe}$) در ناحیه‌ای از فلز (به دلیل ناخالصی یا تنش) الکترون از دست داده و به یون‌های $ ext{Fe}^{2+}$ تبدیل می‌شوند. ($ ext{Fe} \longrightarrow \text{Fe}^{2+} + 2 ext{e}^-$).
2. **کاتد (کاهش):** الکترون‌های آزاد شده از طریق فلز به ناحیه دیگری منتقل می‌شوند، جایی که اکسیژن محلول ($ ext{O}_2$) در حضور آب، الکترون‌ها را گرفته و به یون‌های هیدروکسید ($ ext{OH}^-$) کاهش می‌یابد.
3. **تشکیل زنگ:** یون‌های $ ext{Fe}^{2+}$ تولید شده در آند، در محلول با یون‌های $ ext{OH}^-$ (و در ادامه با اکسیژن محلول) ترکیب می‌شوند و در نهایت به صورت هیدروکسید آهن ($ ext{III}$) یا همان زنگ آهن $(\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O})$ رسوب می‌کنند.
### ب) پاسخ و توضیح با هم بیندیشیم شیمی دوازدهم صفحه 57
**موازنه نیم‌واکنش‌ها (با افزودن الکترون):**
1. **نیم‌واکنش اکسایش (آند):** $$ ext{Fe}(\text{s}) \longrightarrow \text{Fe}^{2+}(\text{aq}) + \mathbf{2\text{e}^-}$$
2. **نیم‌واکنش کاهش (کاتد - در محیط خنثی/بازی):**
$$\text{O}_2(\text{g}) + 2\text{H}_2\text{O}(\text{l}) + \mathbf{4\text{e}^-} \longrightarrow 4\text{OH}^-(\text{aq})$$
### پ) پاسخ و توضیح با هم بیندیشیم شیمی دوازدهم صفحه 57
**نیم‌واکنش اکسایش $ ext{Fe}( ext{II})$ به $ ext{Fe}( ext{III})$:**
این واکنش مرحله ثانویه در زنگ زدن آهن و مرحله تشکیل نهایی زنگ است.
$$\text{Fe}^{2+}(\text{aq}) \longrightarrow \text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \mathbf{\text{e}^-}$$
### ت) پاسخ و توضیح با هم بیندیشیم شیمی دوازدهم صفحه 57
**موازنه واکنش کلی تشکیل هیدروکسید آهن (III) ($ ext{Fe}( ext{OH})_3$):**
$$\text{Fe}(\text{s}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l}) + \text{O}_2(\text{g}) \longrightarrow \text{Fe}(\text{OH})_3(\text{s})$$
با موازنه:
$$\mathbf{4\text{Fe}(\text{s}) + 6\text{H}_2\text{O}(\text{l}) + 3\text{O}_2(\text{g}) \longrightarrow 4\text{Fe}(\text{OH})_3(\text{s})}$$
(در این واکنش، $ ext{Fe}$ از $0$ به $+3$ اکسایش و $ ext{O}$ از $0$ به $-2$ کاهش می‌یابد.)
با هم بیندیشیم شیمی دوازدهم
۲- با توجه به نیم‌واکنش‌های زیر توضیح دهید چرا:
$$\text{O}_2(\text{g}) + 4\text{H}^+(\text{aq}) + 4\text{e}^- \longrightarrow 2\text{H}_2\text{O}(\text{l}) \quad E^\circ = +1/23\text{ V}$$
$$\text{O}_2(\text{g}) + 2\text{H}_2\text{O}(\text{l}) + 4\text{e}^- \longrightarrow 4\text{OH}^-(\text{aq}) \quad E^\circ = +0/40\text{ V}$$
$$\text{Au}^{3+}(\text{aq}) + 3\text{e}^- \longrightarrow \text{Au}(\text{s}) \quad E^\circ = +1/50\text{ V}$$
$$\text{Fe}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \longrightarrow \text{Fe}(\text{s}) \quad E^\circ = -0/44\text{ V}$$
آ) خوردگی آهن در محیط اسیدی به میزان بیشتری رخ می‌دهد؟
ب) با گذشت زمان فلز طلا در هوای مرطوب و حتی در اعماق دریا همچنان درخشان باقی می‌ماند؟
پاسخ تشریحی و گام به گام با هم بیندیشیم شیمی دوازدهم صفحه 57
این سؤال به تحلیل **پتانسیل‌های کاهشی استاندارد ($E^irc$)** می‌پردازد تا پدیده‌هایی مانند خوردگی و پایداری فلزات را از دیدگاه الکتروشیمیایی توضیح دهد.
---
## الف) پاسخ و توضیح با هم بیندیشیم شیمی دوازدهم صفحه 57
**دلیل خوردگی بیشتر آهن در محیط اسیدی:**
خوردگی آهن واکنش خودبه‌خودی است که در آن $ ext{Fe}$ اکسید و $ ext{O}_2$ کاهش می‌یابد. تمایل به وقوع این واکنش با $athbf{E^\circ_{\text{cell}}}$ ($ ext{emf}$) سلول خوردگی مشخص می‌شود.
$$\mathbf{E^\circ_{\text{cell}} = E^\circ_{\text{reduction}} - E^\circ_{\text{oxidation}}}$$
* $ ext{Fe}$ اکسید می‌شود: $ ext{Fe} \longrightarrow ext{Fe}^{2+} + 2 ext{e}^-$, $E^\circ_{\text{oxidation}} = -0.44\text{ V}$ (ثابت).
* **مقایسه $athbf{E^\circ_{\text{reduction}}}$:**
* **در محیط اسیدی:** $ ext{O}_2$ کاهش می‌یابد با $E^\circ_{\text{acid}} = athbf{+1.23\text{ V}}$.
* **در محیط خنثی/بازی:** $ ext{O}_2$ کاهش می‌یابد با $E^\circ_{\text{base}} = athbf{+0.40\text{ V}}$.
**نتیجه:** از آنجایی که پتانسیل کاهشی $ ext{O}_2$ در محیط اسیدی **بسیار بالاتر** است ($+1.23\text{ V} > +0.40\text{ V}$)، پتانسیل سلول خوردگی ($athbf{E^\circ_{\text{cell}}}$) در محیط اسیدی **بزرگ‌تر** و در نتیجه، واکنش خوردگی **خودبه‌خودی‌تر و شدیدتر** است.
### ب) پاسخ و توضیح با هم بیندیشیم شیمی دوازدهم صفحه 57
**دلیل پایداری و درخشان ماندن فلز طلا:**
**طلا ($ ext{Au}$)** یک **کاهنده بسیار ضعیف** است و تمایل بسیار کمی برای اکسید شدن (از دست دادن الکترون) دارد. برای اکسید شدن طلا به $ ext{Au}^{3+}$, پتانسیل اکسایش $ ext{E}^irc$ آن برابر $athbf{-1.50\text{ V}}$ است.
برای وقوع خوردگی (اکسید شدن $ ext{Au}$ و کاهش $ ext{O}_2$)، $athbf{E^\circ_{\text{cell}}}$ باید مثبت باشد. بیشترین پتانسیل کاهش برای $ ext{O}_2$ در اسید $E^\circ = +1.23\text{ V}$ است.
$$E^\circ_{\text{cell}} = E^\circ_{ ext{reduction}} - E^\circ_{ ext{oxidation}} = (+1.23\text{ V}) - (+1.50\text{ V}) = -0.27\text{ V}$$
**نتیجه:** از آنجایی که پتانسیل سلول خوردگی طلا **منفی** است، واکنش خوردگی **غیرخودبه‌خودی** است. بنابراین، طلا در شرایط عادی ($ ext{O}_2$ و $ ext{H}_2 ext{O}$) تمایلی به اکسید شدن ندارد و درخشان باقی می‌ماند.
