ایران شیمی

CHEM - e - CAR

گزارش : وسيله اي براي انرژي هاي نو

مسابقات کميکار

در مسابقات کميکار دانشجويان در قالب گروه هاي چند نفره ماشين هاي شيميايي (Chem-E-Car) خود ، ماشين هايي که نيروي محرکه آنها از واکنش هاي شيميايي تامين مي شود، را به رقابت مي گذارند. رقابتي که مي تواند موجب توسعه علمي ، پژوهش و تحقيقات گروهي در دانشکده هاي مهندسي شيمي گردد.

در مسابقات کميکار دانشجويان با ساخت خودروهاي کوچک شيميايي سطح علمي خود را به رقابت مي گذارند. رقابت هايي که مي تواند موجب نزديک ترشدن ارتباط دانشگاه و صنعت، ايجاد انگيزه، خود باوري، نشاط تحصيلي، ارزيابي خلاقيت و ابتکار عمل تيم هاي دانشجويي و توجه بيشتر دانشکده هاي مهندسي شيمي به آموزش هاي کاربردي گردد.

نخستين دوره مسابقه کميکار(Chem-E-car) ايران نيز آذرماه امسال با حضور بيش از 50 تيم از دانشکده هاي مهندسي شيمي دانشگاه هاي سراسر کشور در سالن حجاب علم و صنعت برگزار شد. در اين مسابقات دانشجويان ماشين هاي ساخت خود را که نيروي محرکه آن توسط انجام يک واکنش شيميايي تامين مي شد، به رقابت در آوردند. ماشين هاي کوچک و ساده دانشجويان نبايد از ابعاد 33 در 20 در 12 سانتيمتر فراتر طراحي مي شد و تمام ماشين هاي شرکت کننده نيز از اين قانون تبعيت کردند. ماشين هاي کوچک با مکانيزم شيميايي خاص خود مي بايست مسافت 20 متر را با حمل 300 سي سي آب مي پيمودند. ماشين هايي که نزديک ترين فاصله را با 20 متر داشتند به عنوان تيم هاي برتر شناخته مي شدند و ماشين هايي که از 30 متر فراتر مي رفتند از دور مسابقات حذف مي شدند.

سوخت اين ماشين ها بايد به نحوي تنظيم مي شد که پس از رسيدن به 20 متر از حرکت بايستند. در مسابقات کميکار ميزان مسافتي که بايد ماشين ها طي کنند و همچنين مقدار آبي که بايد در اين مسافت حمل کنند تا روز مسابقه مشخص نمي گردد، بنابراين دانشجويان خلاق و طراح بايد پس از اعلام اين دو مقدار قبل از شروع مسابقه، محاسبات لازم را بر اساس قدرت سوخت ماشين خود و مسافت محاسبه کنند. آنها با محاسبه سريع ميزان گرم سوخت مورد نياز در طول مسافت معين شده، سوخت لازم را به ماشين هاي خود وارد مي کنند.

بطري هاي نوشابه بي مصرف، ديسکت هاي فشرده (CD) سوخته و بسياري از مواد دورريختني ديگر در هيبتي جديد و عجيب به ماشيني تبديل مي شوند.

اسيد سيتريک، دي کربنات سديم، جوش شيرين، اسيد سولفوريک، دي اکسيد کربن، آب اکسيژنه، پرکلرات آمونيوم، يديد پتاسيم و ... بعنوان سوخت هاي ماشين هاي کوچک شيميايي استفاده مي شوند. در مسابقات کميکار بحث از بنزين و گازوئيل و ... نيست و اکثر سوخت ها، سوخت هايي سبز هستند بدون آلودگي زيست محيطي.

در مسابقات کميکار برخي تيم ها پس از حرکت، ماشينشان متوقف مي شود. برخي ماشين ها نيز منبع سوختشان تحمل فشار وارده از سوي سوخت ماشين را ندارد و منفجر مي شوند. برخي ماشين ها نيز انگار دوپينگ کرده باشند، اول با سرعت فزاينده اي حرکت مي کردند و به خط پايان که نزديک مي شوند آهسته آهسته حرکت مي کنند.

در مسابقات کميکار، محاسبات دقيق، خلاقيت و سطح علمي دانشجويان مهمترين ارکان موفقيت تيمها مي باشند.

در دانشگاه هاي ايران عمده آموزش ها به صورت کلاسيک است و آموزش کلاسيک طبيعتا آموزشي از نوع بالا به پايين است. استاد درس مي دهد و دانشجو ياد مي گيرد و اندوخته علمي پيدا مي کند. دانشجويان ما خوشبختانه در سطح منطقه و بين المللي از لحاظ تئوري خوب و قابل قبول هستند اما نقطه ضعف عمده آنها به نوع آموزش در کشور ما برمي گردد.

در ايران به کارهاي گروهي توجهي چنداني نمي شود وخلاقيت، اعتماد به نفس و قدرت استدلال دانشجويان تقويت نمي شود. انجام مسابقات علمي گروهي و پژوهش هاي علمي گروهي مي تواند اين کمبودها را کم رنگ کند. مدتي که يک گروه دانشجويي روي يک موضوع خاص کار مي کنند و به مطالعه و تحقيق گروهي مي پردازند سبب مي شود ضمن انجام کار و تحقيق علمي، تجربه کار گروهي و تيمي را در زمينه فعاليت علمي را فرا گيرند. آنها با کار گروهي خود به باور و اعتماد علمي مي رسند، اين همان چيزي است که در ميان دانشجويان ما گم شده است و ديده نمي شود.

در دانشگاه هاي ايران نسبت به کشورهاي پيشرفته به کارهاي علمي، گروهي و پژوهشي اهميت کمتري داده مي شود. آنها از ابتدا دانشجويان را با کارهاي علمي گروهي و تيمي آشنا مي کنند. دانشجويان آن کشورها به هيچ وجه در قياس با دانشجويان ايراني از نظر تئوري برابري نمي کنند و در مسائل تئوري مطالب علمي ضعيف تر هستند اما چون کارگروهي علمي انجام داده اند جسارت پيدا کرده اند و با اينکه از لحاظ تئوري ضعيف تر از ما هستند، کارهاي بزرگ علمي و تحقيقات کاربردي سرنوشت سازي را انجام مي دهند. آنها از شکست نمي هراسند و در عمل موفق مي شوند. در صورتي که دانشجويان ايراني جسارت ندارد و از شکست مي ترسد. دانشجوي ايراني هراسان است و با اجراي برنامه هاي عملي و گروهي بايد اعتماد به نفس و جسارت را در آنها تقويت نمود تا با بهره مندي از آموزش هاي تئوري به موفقيت هاي بزرگ و اساسي عملي برسند.

ديد کلي

تمام واکنشهاي شيميايي ، اساسا ماهيت الکتريکي دارند، زيرا الکترونها ، در تمام انواع پيوندهاي شيميايي (به راههاي گوناگون) دخالت دارند اما الکتروشيمي بيش از هر چيز بررسي پديده‌هاي اکسايش- کاهش است. روابط بين تغيير شيميايي و انرژي الکتريکي ، هم از لحاظ نظري و هم از لحاظ عملي حائز اهميت است.

از واکنشهاي شيميايي مي‌توان براي توليد انرژي الکتريکي استفاده کرد (در سلولهايي که سلولهاي ولتايي يا سلولهاي گالواني ناميده مي‌شوند) و انرژي الکتريکي را مي‌توان براي تبادلات شيميايي بکار برد (در سلولهاي الکتروليتي). علاوه بر اين مطالعه فرآيندهايي الکتروشيميايي منجر به فهم و تنظيم قواعد آنگونه از پديده هاي اکسايش - کاهش که خارج از اينگونه سلولها روي مي‌دهند، نيز مي‌شود. با برخي فرآيندهاي الکتروشيميايي آشنا مي‌شويم.

رسانش فلزي

جريان الکتريکي جاري شدن بار الکتريکي است. در فلزات ، اين بار بوسيله الکترونها حمل مي‌شود و اين نوع رسانش الکتريکي ، رسانش فلزي ناميده مي‌شود. با به کار بردن يک نيروي الکتريکي که توسط يک باتري يا هر منبع الکتريکي ديگر تامين مي‌گردد، جريان الکتريکي حاصل مي‌شود و براي توليد جريان الکتريکي يک مدار کامل لازم است. تشبيه جريان الکتريسيته به جريان يک مايع ، از قديم متداول بوده است. در زمانهاي گذشته ، الکتريسيته به صورت جرياني از سيال الکتريکي توصيف مي‌شد.

قراردادهاي قديمي که سابقه آنها ممکن است به "بنجامين فرانکلين" برسد و پيش از آن که الکترون کشف شود، مورد پذيرش بوده است، بار مثبتي به اين جريان نسبت مي‌دهد. ما مدارهاي الکتريکي را با حرکت الکترونها توجيه خواهيم کرد. اما بايد به خاطر داشت که جريان الکتريکي بنا به قرارداد بطور اختياري مثبت و به صورتي که در جهت مخالف جاري مي‌شود، توصيف مي‌گردد.

جريان الکتريکي برحسب آمپر (A) و بار الکتريکي برحسب (C) کولن اندازه گيري مي‌شود. کولن مقدار الکترويسيته است که در يک ثانيه با جريان 1 آمپر از نقطه‌اي مي‌گذرد: 1C = 1A.S و 1A = 1C/S جريان با اختلاف پتانسيل الکتريکي که بر حسب ولت اندازه گيري مي‌شود، در مدار رانده مي‌شود. يک ولت برابر يک ژول بر کولن است. 1V = 1J/C يا 1V.C = 1J يک ولت لازم است تا يک آمپر جريان را از مقاومت يک اهم بگذراند. I=ε/R يا ε=IR

رسانش الکتروليتي

رسانش الکتروليت هنگامي صورت مي‌گيرد که يونهاي الکتروليت بتوانند آزادانه حرکت کنند، چون در اين مورد ، يونها هستند که بار الکتريکي را حمل مي‌کنند. به همين دليل است که رسانش الکتروليتي اساس توسط نمکهاي مذاب و محلولهاي آبي الکتروليتها صورت مي‌گيرد. علاوه بر اين براي تداوم جريان در يک رساناي الکتنروليتي لازم است که حرکت يونها با تغيير شيميايي همراه باشد. منبع جريان در يک سلول الکتروليتي ، الکترونها را به الکترود سمت چپ مي‌راند.

بنابراين مي‌توان گفت که اين الکترود بار منفي پيدا مي‌کند. اين الکترونها از الکترود مثبت سمت راست کشيده مي‌شوند. در ميدان الکتريکي که بدين ترتيب بوجود مي‌آيد، يونهاي مثبت يا کاتيونها به طرف قطب منفي يا کاتد و يونهاي منفي يا آنيونها به طرف قطب مثبت يا آند جذب مي‌شوند. در رسانش الکتروليتي ، بار الکتريکي بوسيله کاتيونها به طرف کاتد و بوسيله آنيونها که در جهت عکس به طرف آند حرکت مي‌کنند، حمل مي‌شود.

براي اين که يک مدار کامل حاصل شود، حرکت يونها بايد با واکنشهاي الکترودي همراه باشد. در کاتد اجزاي شيميايي معيني (که لازم نيست حتما حامل بار باشند) بايد الکترونها را بپذيرند و کاهيده شوند و در آند ، الکترونها بايد از اجزاي شيميايي معيني جدا شده و در نتيجه آن اجزا اکسيد شوند. الکترونها از منبع جريان خارج شده به طرف کاتد رانده مي‌شوند.

عوامل موثر بر رسانش الکتروليتي

رسانش الکتروليتي به تحرک يونها مربوط مي‌شود و هر چند که اين يونها را از حرکت باز دارد، موجب ايجاد مقاومت در برابر جريان مي‌شود. عواملي که بر رسانش الکتروليتي محلولهاي الکتروليت اثر دارند عبارتند از : جاذبه بين يوني ، حلال پوشي يونها و گرانروي حلال. انرژي جنبشي متوسط يونهاي ماده حل شده با افزايش دما زياد مي‌شود و بنابراين مقاومت رساناهاي الکتروليتي ، بطور کلي با افزايش دما کاهش مي‌يابد. يعني رسانايي زياد مي‌شود. به علاوه اثر هر يک از سه عامل مذکور با زياد شدن دما کم مي‌شود.

الکتروليز (برقکافت)

الکتروليز يا برقکافت سديم کلريد مذاب ، يک منبع صنعتي تهيه فلز سديم و گاز کلر است. روشهاي مشابهي براي تهيه ديگر فلزات فعال مانند پتاسيم و کلسيم بکار مي‌روند. اما چنانکه بعضي از محلولهاي آبي را برقکافت کنيم آب به جاي يونهاي حاصل از ماده حل شده در واکنشهاي الکترودي دخالت مي‌کند. از اينرو ، يونهاي حامل جريان لزوما بار خود را در الکترودها خالي نمي‌کنند. مثلا در برقکافت محلول آبي سديم سولفات ، يونهاي سديم به طرف کاتد و يونهاي سولفات به طرف آند حرکت مي‌کنند. اما بار اين هر دو يون با اشکال تخليه مي‌شود.

بدين معني که وقتي عمل برقکافت بين دو الکترود بي اثر در جريان است، در کاتد گاز هيدروژن بوجود مي‌آيد و محلول پيرامون الکترود قليايي مي‌شود:

(2 H2O + 2e → 2OH- + H2(g

يعني در کاتد کاهش صورت مي‌گيرد ولي به جاي کاهش سديم ، آب کاهيده مي‌شود. بطور کلي هر گاه کاهش کاتيون ماده حل شده مشکل باشد، کاهش آب صورت مي‌گيرد. اکسايش در آند صورت مي‌گيرد و در برقکافت محلول آبي Na2SO4 ، آنيونها (2-SO4) که به طرف آند مهاجرت مي‌کنند، به سختي اکسيد مي‌شوند:

2SO42- → S2O42- + 2e

بنابراين ترجيها اکسايش آب صورت مي‌گيرد:

2H2O → O2(g) + 4H+ + 4e

يعني در آند توليد گاز اکسيژن مشاهده مي‌شود و محلول پيرامون اين قطب اسيدي مي‌شود. بطور کلي هر گاه اکسايش آنيون ماده حل شده مشکل باشد، آب در آند اکسيد مي‌شود. در الکتروليز محلول آبي NaCl در آند يونهاي -Cl اکسيد مي‌شوند و گاز Cl2 آزاد مي‌کنند و در کاتد احياي آب صورت مي‌گيرد. اين فرآيند منبع صنعتي براي گاز هيدروژن ، گاز کلر و سديم هيدروکسيد است:

2H2O + 2Na+ + 2Cl- → H2(g) + 2OH- + 2Na+ + Cl2(g)

سلولهاي ولتايي

سلولي که به عنوان منبع انرژي الکتريکي بکار مي‌رود، يک سلول ولتايي يا يک سلول گالواني ناميده مي‌شود که از نام آلساندرو ولتا (1800) و لوئيجي گالواني (1780) ، نخستين کساني که تبديل انرژي شيميايي به انرژي الکتريکي را مورد آزمايش قرار دادند، گرفته شده است. واکنش بين فلز روي و يونهاي مس II در يک محلول ، نمايانگر تغييري خود به خود است که در جريان آن الکترون منتقل مي‌شود.

(Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s

مکانيسم دقيقي که بر اساس آن انتقال الکترون صورت گيرد، شناخته نشده است. ولي مي‌دانيم که در آند فلز روي اکسيد مي‌شود و در کاتد ، يونهاي Cu+2 احيا مي شود و به ترتيب يونهاي Zn+2 و فلز Cu حاصل مي‌شود و الکترونها از الکترود روي به الکترود مس که با يک سيم به هم متصل شده‌اند، جاري مي‌شوند، يعني از آند به کاتد.

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e

(Cu2+(aq)+2e → Cu(s

نيم سلول سمت چپ يا آند ، شامل الکترودي از فلز روي و محلول ZnSO4 و نيم سلول سمت راست يا کاتد شامل الکترودي از فلز مس در يک محلول CuSO4 است. اين دو نيم سلول ، توسط يک ديواره متخلخل از هم جدا شده‌اند. اين ديواره از اختلال مکانيکي محلولها ممانعت مي‌کند ولي يونها تحت تاثير جريان الکتريسيته از آن عبور مي‌کنند. اين نوع سلول الکتريکي ، سلول دانيل ناميده مي‌شود.

نيروي محرکه الکتريکي

اگر در يک سلول دانيل ، محلولهاي 1M از ZnSO4 و 1M از CuSO4 بکار رفته باشد، آن سلول را با نماد گذاري زير نشان مي‌دهيم:

(Zn(s) ? Zn2+(1M) ? Cu2+(1M) ? Cu(s

که در آن خطوط کوتاه عمودي ، حدود فازها را نشان مي‌دهند. بنابر قرارداد ، ماده تشکيل دهنده آند را اول و ماده تشکيل دهنده کاتد را در آخر مي‌نويسيم و مواد ديگر را به ترتيبي که از طرف آند به کاتد با آنها برخورد مي‌کنيم، ميان آنها قرار مي‌دهيم. جريان الکتريکي توليد شده در يک سلول ولتايي ، نتيجه "نيروي محرکه الکتريکي" (emf) سلول است که برحسب ولت اندازه گيري مي‌شود.

هز چه تمايل وقوع واکنش سلول بيشتر باشد، نيوري محرکه الکتريکي آن بيشتر خواهد بود. اما emf يک سلول معين به دما و غلظت موادي که در آن بکار رفته است، بستگي دارد. emf استاندارد، ?ε ، مربوط به نيروي محرکه سلولي است که در آن تمام واکنش دهنده‌ها و محصولات واکنش در حالت استاندارد خود باشند. مقادير ?ε معمولا براي اندازه گيريهايي که در 25 C به عمل آمده است،

معين شده است.

خلاصه اي از معرفي مسابقه سراسري کميکار ايران

كلمات كليدي: مسابقه ماشين هاي شيميايي، كميكار، قوانين و مقررات، پوستر و عملكرد، Chem-e-car, Material safety datasheet, first Competition in Iran

مسابقه کميکار فعاليتي دانشجويي براي بهبود درک دانشجويان از كاربردهاي عملي دروس دانشگاهي و ارتباط هر چه بيشتر دانشگاه و صنعت و همچنين يافتن جايگزيني مناسب ، ارزان و سازگار با محيط زيست براي سوختهاي فسيلي مي باشد.

در اين مسابقه دانشجويان تلاش مي کنند تا با طراحي و ساخت يک ماشين در ابعاد کوچک و کنترل واکنشي که نيروي محرکه ماشين را تأمين مي کند خلاقيت ها و ابتکارات خود را نشان دهند.در اين مسابقه ماشين مذكور بايد مسير مشخصي را با بار مشخص طي نمايد و طبق قوانين مسابقه ماشيني برنده اعلام مي شود که با توجه به بار انتخابي توسط داوران براي ماشينها نسبت به خط پايان مشخص شده خطاي کمتري داشته باشد. در کنار اين مسابقه عملي، دانشجويان دستاوردها ي خود را در قالب پوستر به معرض ديد عموم گذاشته و بدين وسيله ابتکارات، ابداعات، محاسبات، نوع واکنشها و نحوه کنترل آن، موارد زيست محيطي و عواملي که در آن برتري اين واکنش را نسبت به سوختهاي فسيلي نشان مي دهد بررسي مي کنند. با توجه به مصرف بيش از اندازه سوخت هاي فسيلي‌‍ ، آلودگيهاي مصرفي آن و هزينه سنگين واردات آن، اين فعاليت مي تواند راهگشاي اين معضل ملي شود و اين امر مهم جز با حمايت هاي صنعت از دانشگاه و ارتباط متقابل اين دو نهاد محقق نمي گردد.

لازم به ذكر است كه اولين دوره مسابقه در آذرماه سال 1383 در دانشگاه علم و صنعت ايران برگزار گرديد و مورد استقبال زيادي قرار گرفت. همچنين تيم دانشگاه صنعتي اميركبير در مسابقات جهاني كميكار (Glasgow – July 2005 ) موفق به كسب مقام دوم جهان گرديد

مسابقه در دو بخش پوستر (Poster competition)

و

 عملكرد (Performance Competition) انجام مي گردد.

مسابقه در بخش پوستر:

در اين بخش بايد تمامي مشخصات ماشين ساخته شده كه شامل موارد زير مي‌باشد توسط تيم شركت كننده در غالب يك پوستر ارائه شود .

•توضيحات كامل واكنش شيميايي به عنوان منبع نيروي محركه ماشين

•خصوصيات منحصر به فردي كه در طراحي وجود دارد

•خصوصيات ايمني و شيت هاي نشان دهنده ايمني مواد شيميايي استفاده شده براي انجام واكنش (Material safety datasheet)

•ديدگاه هاي زيست محيطي بكاربرده شده

•وزن دقيق ماشين با متعلقات

طرح هايي كه 70% نمره بخش پوستر را كسب نمايند حق شركت در بخش عملكرد را خواهند داشت.

مسابقه بخش عملكرد:

•اين مسابقه در 2 دور با يك بازه زماني كوتاه براي استراحت تيم ها برگزار خواهد شد و هر تيم حق 2 بار انجام مسابقه را خواهد داشت.

•در دور اول ترتيب شركت تيم ها با قرعه كشي مشخص مي‌شود.

•در داوري ميزان نسبت بار حمل شده به مسافت طي شده و همين‌طور قابليت كنترل پذيري ماشين در شروع مسابقه و پايان آن ركوردگيري خواهد شد.

•ترتيب مسابقه در دور دوم به اين صورت است كه تيمي كه در دور اول كمترين نسبت بار به فاصله را داشته باشد در دور دوم به عنوان تيم اول شروع كننده مي باشد.

•حداكثر زمان براي طي كردن 15  متر اول مسير 10 دقيقه خواهد بود.

•هدف از انجام اين مسابقه نمايش توانايي يك واكنش شيميايي است،بنابراين استفاده از ديگر منابع انرژي براي راندن ماشين ممنوع است.

•ماشين بايد خود كنترل باشد و نمي تواند از طريق كنترل از راه دور هدايت شود. مكانيزم هايي مثل هل دادن يا كوك كودن براي شروع حركت مجاز نخواهد بود و هيچ گونه سيستم ترمزي مكانيكي يا الكتريكي نبايد در ماشين وجود داشته باشد.

•هيچ گونه ابزار مكانيكي يا الكترونيكي براي خاتمه دادن به واكنش شيميايي مجاز نخواهد بود.

•مسئوليت انتقال ماشين و مواد شيميايي مورد نياز به محل مسابقه و رعايت موارد ايمني با شركت كننده است.

•كم هزينه بودن ماشين ساخته شده از مزاياي طرح محسوب مي شود.

Chem-e-Car is an annual college competition for students majoring in Chemical Engineering. In this competition, students must design small-scale automobiles that operate by chemical means, along with a poster describing their research. During the competition, they must drive their car a fixed distance in order to demonstrate its capabilities.

 In addition to driving a specified distance, they must also hold a payload of 0-500mL of water. The exact distance (15-30m) and payload is given one hour before the competition. The size of designed cars cannot exceed a specific defined size and cars must operate using "green" methods, which do not release any pollution or waste in the form of a visible liquid or gas, such as exhaust. This competition is hosted in the USA by AIChE (American Institute of Chemical Engineers). The current rules may be found at 2007 ChemE Car Rules .