موضوع مقاله: نمودار پوربه | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # نمودار پوربه | مقدمه: همچنین نمودار پوربه می‌تواند تا حد مطلوبی به عنوان نمودار فازی استاندارد با مجموعه متفاوتی از محورها به کار برده شود. | ## بخش 1: نمودار پوربه | نمودار پوربه بیشتر در دمای اتاق و فشار اتمسفر و غلظت مولی 6-10 ارائه داده می‌شود و هر تغییری در این پارامترها منجر به نمودار پوربه متفاوتی خواهد شد. نام نمودار برگرفته از نام مبدع آن، مارسل پوربه (۱۹۹۸-۱۹۰۴) شیمیدان روس‌تبار بلژیکی است. علاوه بر مواد حل شده، اکسید جامدات و هیدروکسیدها و همچنین تعادل‌های همگن و ناهمگن (شاخه‌های پیچیده‌تر شیمی)، نیز از اهمیت بالایی برخوردارند. مؤلفه عمودی نمودار، EH، نماینده پتانسیل کاهشی نسبت به الکترود استاندارد هیدروژن (SHE) است که با معادله نرنست محاسبه می‌شود. اگرچه استانداردهای دیگری نیز ممکن است به کار برده شوند که فقط مختص به دمای اتاق هستند. که (ولت) ولتاژ حرارتی یا "شیب نرنست" در دمای استاندارد است که ، پس بنابراین داریم (ولت). خطوط در نمودار پوربه شرایط تعادل، که در آن کنش‌ها با هم برابرند، را برای مواد در هر طرف خط نشان می‌دهند. به منظور شناسایی موقعیت خطوط در نمودار پوربه با معادله نرنست فعالیت مواد شیمیایی در حالت تعادل باید مشخص باشد. در اکثر مواقع فعالیت یک ماده تقریبا برابر با غلظت (در مواد محلول) یا فشار جزئی (در گازها) می باشد. اگر نمودار تعادل بین یک ماده محلول و یک گاز را شامل شود، فشار معمولا بر روی P 0 = 1 atm =101 325 Pa تنظیم می شود که کمترین فشار لازم برای خروج گاز از یک محلول آبی در شرایط استاندارد است. با این وجود که همچین نمودارهایی می توانند برای هر سیستم شیمیایی کشیده شوند، لازم به توجه است که اضافه کردن عامل هم چسبی فلز (لیگاند) در اکثر مواقع موجب تغییر جزئی در نمودار می شود.به طور مثال کربنات بر روی نمودار اورانیوم تاثیر قابل توجهی دارد (نمودارهای سمت چپ را ببینید). وجود مقدار ناچیزی از مواد به‌خصوص مانند یون کلرید با تخریب لایه های پوششی می تواند تاثیر زیادی بر پایداری مواد مشخصی داشته باشد. به علاوه تغییر در دما و غلظت یون های حل شده در محلول خطوط تعادل را مطابق با معادله نرنست انتقال خواهد داد. هم چنین نمودار از تغییرات انرژی جنبشی تاثیر نمی پذیرد یعنی موادی که به عنوان ناپایدار نشان داده می شوند ممکن است در واقعیت به حد قابل توجهی واکنش نشان ندهند. | ## بخش 2: نمودار پوربه | نمودار پوربه ساده شده به جای گونه های پایدار، منطقه هایی از "مصونیت"، "خوردگی" و "انفعال" را نشان می دهد. بنابراین نمودارها درباره پایداری یک فلز مشخص در یک محیط به‌خصوص راهنمایی می دهند. مصونیت یعنی فلز تحت حمله نیست در حالی که خوردگی نشان می دهد که حمله عمومی رخ خواهد داد. غیر فعال سازی (منفعل سازی) زمانی رخ می دهد که فلز یک پوشش پایدار از اکسید یا نمکی دیگر بر روی سطحش شکل می دهد. بهترین مثال پایداری نسبی آلومینیوم است که وقتی در معرض هوا قرا می گیرد پوششی از آلومینا بر روی سطحش تشکیل می دهد. محاسبات نمودار پوربه در نمونه ای ساده از یک سیستم ترمودینامیک که شامل یک فلز(M) و آب است معادله های متفاوتی که ممکن است نوشته شوند به فرم زیر می باشند: که در آن r1 و r2 هر واکنش دهنده ای است که شامل فلز M ، هیدروژن و اکسیژن باشد. یک معادله پایه بازی می تواند با استفاده از ثابت تعادل خود یونش آب، به یک معادله پایه اسیدی تبدیل شود. در ادامه از شیب نرنست (یا ولتاژ حرارتی) استفاده می شود دکه رد شرایط STP دارای مقدار ...0.02569 ولت است. خط مرزی عمودی وقتی هیچ الکترونی مبادله نمی شود (n=0)، تعادل بین r1 و r2 تحت تاثیر پتانسیل الکترود نمی باشد و خط مرزی یک خط عمودی با مقدار مخصوص pH می شود. معادله واکنش می تواند به شکل زیر نوشته شود: و رابطه تعادل انرژی به شکل نوشته می شود که در آن K ثابت تعادل است: . به طور مثال برای سیستم آب و آهن خط تعادل بین یون فریک 3+Fe و هماتیت Fe2O3 را در نظر بگیرید. خط مرزی افقی وقتی واکنش شامل یون های +H و -OH نباشد خط مرزی افقی و مستقل از pH می باشد. معادله واکنش به این صورت نوشته می شود: و رابطه تعادل انرژی به صورت زیر است: با استفاده از تعریف پتانسیل الکترود، می باشد که می تواند به شکل معادله نرنست نوشته شود: یا با استفاده از لگاریتم با مبنای 10داریم: در نمونه آب و آهن خط مرزی بین 3+Fe و Fe+2 را در نظر بگیرید. معادله واکنش خواهد بود: چون الکترون ها وارد معادله شده اند Eo = 0.771 V است و چون معادله شامل +H و -OH نمی باشد مستقل از pH است. | ## بخش 3: نمودار پوربه | Eh به عنوان تابعی از دما خواهد بود: برای هر دو نمونه یونی در غلظت 6-10 مولار و شرایط STP و مرز یک خط افقی در Eh=0.771 ولت خواهد بود که این مقدار با دما تغییر می کند. خط مرزی مایل در این قسمت هم الکترون ها هم یون های +H درگیر می شوند و پتانسسیل الکترود تابعی از pH است. معادله واکنش به شکل زیر نوشته می شود: با استفاده از تعریف انرژی آزاد در شکل پتانسیل، رابطه تعادل انرژی توسط معادله نرنست به دست می آید: در نمونه آب و آهن خط مرزی بین آهن فروس Fe+2 و هماتیت Fe2O3 را در نظر بگیرید. مقیاس عمودی نشان دهنده پتانسیل الکترود هیدروژن یا یک الکترود غیر برهم کنش نسبت به الکترود SHE (مرجع) است. با فرض نبود پتانسیل اضافی، اگر از خط تعادل بالایی فراتر برویم شرط تعادل گاز اکسیژن می شود و اکسیژن تا زمانی که تعادل به دست آید به صورت حباب از الکترود خارج می شود. به همین صورت اگر از خط تعادل پایینی پایین تر برویم شرط تعادل گاز هیدروژن می شود و هیدروژن تا زمانی که تعادل به دست آید به صورت حباب از الکترود خارج می شود. در نمودار پوربه اورانیوم محدوده ی پایداری آب با دو خط چین مشخص شده است و منطقه پایداری آب در بین این دو خط قرار می گیرد. تحت شرایط کاهنده شدید ( EH/pE پایین) آب به موجب معادله زیر به هیدروژن کاهش خواهد یافت. یا با استفاده از معادله نرنست و قرار دادن E0 = 0 V و فراریت (متناظر با واکنش پذیری) گاز هیدروژن در 1، معادله برای خط چین پایینی (مرز منطقه پایداری آب) در نمودار پوربه خواهد بود: در دما و فشار استاندارد. پایین تر از این خط آب به هیدروژن کاهش پیدا می کند و به طور معمول عبور ازین خط تا زمانی که هنوز آبی باری کاهیده شدن وجود دارد ممکن نخواهد بود. در مقابل تحت شرایط اکسنده شدید( EH/pE بالا) آب به موجب معادله زیر به گاز هیدروژن اکسایش خواهد یافت: مانند بالا با استفاده از معادله نرنست اما با E0 =-ΔG0H2O/2F = 1.229 V، محدوده بالایی پایداری آب در فشار و دمای استاندارد به دست می آید: بالاتر از این خط آب به اکسیژن اکسایش خواهد یافت و به طور معمول عبور از این خط تا زمانی که هنوز آبی برای اکسید شدن وجود دارد، ممکن نخواهد بود. استفاده صحیح از نمودار پوربه نه تنها به شناسایی ماهیت مواد موجود در یک محلول (یا نمونه) کمک می کند بلکه در درک مکانیزم واکنش ها نیز کمک بزرگی است. در شیمی محیط زیست نمودار پوربه به صورت گسترده ای برای توضی رفتار شیمیایی نمونه های شیمیایی موجود رد هیدروسفر استفاده می شود. pE یک عدد مطلق است و می تواند به راحتی توسط معادله زیر به EH مربوط شود: مقادیر pE در شیمی محیط زیست در محدوده 12- تا 25+ تغییر می کند، زیرا در پتانسیل بالا یا پایین آب به ترتیب کاهش می یابد یا اکسید می شود. | ## جمع‌بندی | در کاربردهای محیط زیست غلظت مواد حل شده به طور معمول بین 2-10 تا 5-10 مولار قرار می گیرد تا برای ایجاد خطوط تعادل استفاده شود.