کتاب مقدمه ای بر الکتروشیمی تجزیه اصول و کاربردها

پیش گفتار
روشهای الکتروشیمیایی تجزیه، در برنامه مصوب کارشناسی شیمی، چهار واحد درسی را در بر میگیرد که به صورت دو واحد نظری و دو واحد عملی، با پیش نیاز درس شیمی تجزیه «۱» در دانشگاه ها تدریس می شود. در کتابهای درسی معتبر نیز، این بخش از شیمی تجزیه، متناسب با سلیقه مؤلف کتاب، در قالب سه تا چهار فصل مستقل ارائه میگردد. درک عمیق اصول و مفاهیم الکتروشیمی تجزیه، همانند دیگر شاخه های شیمی، مستلزم دستیازی به اسلوبی مشخص و متأثر از یک مدل منطق ریاضی است و تنها در چنین حالتی است که معلم و متعلم می توانند با خیال راحت، روش های مختلفی را که طی سالیان متمادی تجربه و تحقیق، به عنوان راه هایی مطمئن برای تجزیه کیفی و کمی در منابع علمی وارد شده اند، به خاطر بسپارند. از این دیدگاه، می توان واکنش های مبادله الكترونی را که بین یک بستر رسانا، و یک گونه محلول انجام می گیرند و در عرف متداول از آنها با نام واکنش های الکتروشیمیایی، یاد می شود، به عنوان زیربنای اکثر روش های الکتروشیمیایی تجزیه در نظر گرفت. به همین دلیل، در تمام کتب درسی و حتی مجموعه های تخصصی، بحث درباره الکتروشیمی تجزیه را با واکنش های الکتروشیمیایی و جایگاه رخداد آنها، یعنی پیل ها، آغاز می کنند و سپس به شرح روشهای ذیربط می پردازند. نظر بر اینکه پیشرفت هر واکنش الکتروشیمیایی تابع ویژگی های ترمودینامیکی و سینتیکی آن است، بنابراین شایسته خواهد بود که در نمایش واکنشهای الکتروشیمیایی چنان شیوهای بکار رود که بتواند ویژگی های مذکور را به طور روشن در اختیار خواننده قرار دهد.
نمایش واکنش های الکتروشیمیایی به صورت فرمول های شیمیایی همراه با پارامترهای ترمودینامیکی ( پتانسیل فرمال، "E) و سینتیکی ( پتانسیل اضافی، ) وابسته تا حدودی می تواند پاسخگوی چنین نیازی باشد ولی کاربرد منحنی های شدت جریان به پتانسیل (i-E) برای این منظور، رفتاری را که هر واکنش الکتروشیمیایی در عمل از خود ظاهر می سازد، در معرض دید خواننده قرار می دهد و دست وی را در بهره برداری منطقی از این واکنش کاملا باز می گذارد. روی این اصل، در این کتاب سعی شده است که از منحنی های i-E به عنوان یک مدل پایه منطقی برای توجیه و تفسیر اساس تمام روشهای مبتنی بر فرایندهای مبادله الكترون کمک گرفته شود.
مندرجات کتاب حاضر، که بیشتر به بیان مفاهیم اولیه و زیربنایی الکتروشیمی تجزیه اختصاص دارد، در چهارده فصل جداگانه ارائه شده است. با این حال، ارتباط منطقی و ظریفی بین مطالب فصول مختلف وجود دارد، به طوری که فهم مطالب هر فصل بدون آگاهی از مطالب فصل یا فصول قبلی تا حدودی دشوار است. فصل اول این کتاب، چنانکه در فهرست مطالب نیز آمده است، به بیان ویژگی ها و جایگاه واکنش های الکتروشیمیایی و تأثیر پذیری آنها از عوامل مختلف اختصاص یافته است. در فصل دوم، راه های بررسی و پیش بینی فرآیندهای الكتردی با استفاده از منحنی های شدت جریان . پتانسیل مورد بحث قرار گرفته است. فصل سوم، معادلات ریاضی منحنی های i-E برای حالتی خاص، یعنی حالت انتشار ایستا را بیان می کند زیرا بخش قابل توجهی از روش های الکتروشیمی تجزیه، مبتنی بر اندازه گیری جریان انتشار ایستا است. فصل چهارم مواردی را در ارتباط با توجیه و تفسیر برخی پدیده های الکتروشیمیایی، با استفاده از منحنی های i-E ارائه می نماید. فصل پنجم به بیان ویژگی های انواع الکتردهای مورد استفاده در روش های الکتروشیمیایی تجزیه اختصاص دارد و از آن میان، خصوصیات دسته خاصی از الکتردها را که منشاء پتانسیل تعادل آنها، به جای فرآیندهای انتقال بار، تعادل های مبادله یون است، تحت عنوان الكتردهای انتخابی پونه شرح می دهد. فصل ششم روشهای مبتنی بر اندازه گیری پتانسیل الکتردی موسوم به الکترد شناساگر را در قالب روش های پتانسیومتری ارائه می نماید. این فصل نشان می دهد که چگونه می توان هم از پتانسیل تعادل (یعنی پتانسیل در جریان صفر) و هم از پتانسیل الکتردهای قطبی شده در قالب روش هائی به نام پتانسیومتری مستقیم و پتانسیومتری غیر مستقیم، یا عیارسنجی های پتانسیومتری، برای تعیین غلظت استفاده کرد. فصل هفتم اصول ولتامتری و متداول ترین شیوه آن، یعنی پلاروگرافی را بیان می نماید. در فصل هشتم از کرنو آمپرومتری و ولتامتری با الكتردهای جامد صحبت شده است و فصل نهم، کاربرد عمده روش های ولتامتری در شرایط انتشار ایستا را که همان عیارسنجی های آمپرومتری، است، ارائه می نماید. فصل دهم اصول و شیوه های اجرائی روشهای الکترولیز و کولومتری را مورد بحث قرار میدهد. فصل یازدهم اشاره مختصری به روش های گالوانواستایی داشته و فصل دوازدهم هدایت سنجی و تعیین عیارهای هدایت سنجی را، که به لحاظ استفاده از الکتردهای قطبی شده و جابجایی ماده در میدان الکتریکی به وجود آمده بين الكتردها، در تشابه با کارکرد پیل هاست، مورد بحث قرار میدهد. فصل سیزدهم، اصول ولتامتری با برهنه سازی را که روشی مرکب از یک مرحله پیش تغلیظ فیزیکی، شیمیایی با الکتروشیمیایی و یک مرحله برهنه سازی با ولتامتری است و در اندازه گیری مقادیر کم (آثار) کاربرد دارد، ارائه می نماید و بالاخره فصل چهاردهم برای نشان دادن گوشه ای از پیشرفت های جدید در زمینه ساخت و کاربرد زیست حسگرها در این مجموعه وارد شده است.
نظر بر این که، کتاب حاضر با هدف ارائه یک مجموعه مدون درسی به دانشجویان رشته شیمی تدوین شده است، بنابراین سعی شده است در پایان هر بخش از مطالب، چکیده آنها، زیر عنوان خلاصه ای از آنچه که گفته شده به اختصار بیان شود. علاوه بر این در پایان هر فصل، تعداد قابل ملاحظه ای تمرین ، که عمدتا برگرفته از کارهای عملی و مقالات علمی می باشند، برای خود آزمایی و آشنایی با نحوه کار برد مفاهیم مندرج در همان فصل، داده شده است. ارائه کتابنامه در پایان هر فصل، که عمدتا در برگیرنده منابع تخصصی است، برای مراجعات بعدی علاقمندان و دسترسی آنان به اطلاعات بیشتر در هر زمینه بوده است.
کتاب حاضر در اصل، گردآوری مطالب تدریس شده در جلسات درسی ادرس شیمی تجزیه ۲ در طی بیش از بیست سال تدریس نگارنده است. بخش اعظم تمرین های ارائه شده، از مسائل آزمونهای پایان ترم دانشجویان رشته شیمی در دانشگاه تبریز استخراج شده اند. نگارنده بر این عقیده است که یادگیری دروس شیمی تجزیه و به ویژه شیمی تجزیه ۲ با حضور توام با علاقه دانشجویان عزیز در جلسات درسی امکان پذیر است و تعیین میزان یادگیری، با شرکت در آزمونی به صورت کتاب بازه قابل ارزیابی است.
اطمینان دارد که این کتاب، مجموعه ای عاری از نقص نیست و بنابراین انتقادهای سازنده و پیشنهادهای اصلاحی همکاران دانشمند و دانش پژوهان عزیز را با منت فراوان پذیرا هستم و امیدوارم که بتوانم در صورت توفيق به تجدید چاپ، از این رهنمودها استفاده کنم. از دانشجویان عزیزی که با مراجعات مکرر خود محرک و مشوق اینجانب در تدوین و تکمیل این مجموعه بوده ام، صمیمانه سپاسگزارم. از همکار عزیزم آقای دکتر محمد حسین پورنقی آذر، که فصول اولیه این کتاب را با حوصله و دقت شایان تقدیر بازخوانی کرده اند، تشکر می نمایم از مدیریت و کارکنان سخت کوش موسسه پیام که تایپ و صفحه آرائی کامپیوتری این کتاب در آن انجام گرفته و نیز از مدیریت انتشارات رسالت برادر ارجمند آقای سعید جلالی به خاطر مساعدت های بی دریغشان در امر چاپ و نشر این اثر قدردانی نموده، از خدای بزرگ برای همه این عزیزان توفیق بیشتر مسئلت دارم.
سید مهدی گلابی
استاد دانشکده شیمی - دانشگاه تبریز
تبریز - مهر ماه ۱۳۸۰
پیشگفتار چاپ دوم از اینکه چاپ اول کتاب حاضر، علیرغم برخی کاستی ها، مورد توجه دانش پژوهان و دانشجویان قرار گرفت خدای بزرگ را سپاسگزارم. بعلاوه این کتاب توانست به عنوان یکی از آثار برگزیده یازدهمین دوره کتاب برتر دانشگاهی در آذر ماه ۱۳۸۱ در دانشگاه تهران انتخاب و لوح تقدیر دریافت نماید. در چاپ دوم این کتاب اصلاحاتی انجام گرفته که نتیجه بازنگری مؤلف در متن و یا تذکرات به جا و ارزشمند همکاران و دانشجویان عزیز بوده است در این ارتباط جا دارد از همکار ارجمند آقای دکتر حمیدرضا زارع استادیار بخش شیمی دانشگاه یزد به خاطر نکته نظرات و توصیه های مفید ایشان صمیمانه سپاسگزاری نمایم. ضمنا از دانشجوی بسیار عزیز و فرهیخته آقای امین ایمانی نبینی نیز که با صرف وقت بخش اعظم کتاب را قرائت و تذکرات مفیدی را ارائه کرده اند تشکر می نمایم و در نهایت از همه همکاران و دانشجویان فهیمی که نکاتی را در جهت حذف کاستی های چاپ اول به طور شفاهی به اینجانب یاد آور شده اند از صمیم دل قدردانی می کنم. نکته دیگری که یاد آوری آن ضروری بنظر میرسد، درخواست عده زیادی از خوانندگان عزیز کتاب
حاضر برای تدوین مجموعه ای مشتمل بر حل تمرین های پایان فصول بوده است. از اینرو مؤلف به همراه نشر چاپ دوم کتاب، مجموعه حاوی حل تمرین ها را نیز به علاقمندان ارجمند تقدیم می نماید. برای احتراز از افزایش بی رویه حجم کتاب، مجموعه حل تمرین به صورت مجلدی جداگانه تهیه شده است. اینجانب باز هم ضمن آرزوی توفیقات علمی برای همه استفاده کنندگان از این کتاب و حل مسائل وابسته به آن، آمادگی خود را برای دریافت نظرات سازنده آنان ابراز می دارم و از خداوند متعال خواهانم که توفیق خدمت به جامعه علمی ایران اسلامی را به همه، عنایت فرماید.
سیدمهدی گلابی
استاد دانشکده شیمی دانشگاه تبریز
تبریز - مهر ماه ۱۳۸۲