ثانوي · الصف 3

الخلايا الجلفانية

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

4-1

الخلايا الجلفانية

Voltaic Cells

الفكرة الرئيسية

تحدث الأكسدة في الخلايا الجلفانية عند الأنود (المصعد) منتجة إلكترونات تتدفق نحو الكاثود (المهبط) حيث يحدث الاختزال.

الربط مع الحياة

إذا تم قص ورقة نقدية من فئة الريال نصفين؛ فإن الذي يمكن عمله بأحد النصفين؟ لا يمكن استعماله من دون النصف الآخر. وهذا ينطبق أيضًا على الخلايا الجلفانية التي تتكون من نصفي خلية؛ إذ يجب وجودهما معًا لإنتاج الطاقة.

الأهداف

تصف طريقة للحصول على طاقة كهربائية من تفاعل أكسدة واختزال.
تحدد أجزاء الخلية الجلفانية، وتفسر كيفية عمل كل من هذه الأجزاء.
تحسب جهد الخلية، وتحدد تلقائية تفاعل الأكسدة والاختزال فيها.

مراجعة المفردات

الأكسدة: فقدان الذرات للإلكترونات، أو الزيادة في عدد التأكسد.
الاختزال: اكتساب الذرات للإلكترونات، أو النقص في عدد التأكسد.

المفردات الجديدة

القنطرة الملحية
الخلية الكهروكيميائية
الخلية الجلفانية
نصف الخلية
الأنود
الكاثود
جهد الاختزال
قطب الهيدروجين القياسي

الأكسدة والاختزال في الكيمياء الكهربائية

Redox in Electrochemistry

الكيمياء الكهربائية هي دراسة عمليات الأكسدة والاختزال التي تتحول من خلالها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، وبالعكس.

من المعروف أن تفاعلات الأكسدة والاختزال جميعها تتضمن انتقال الإلكترونات من المواد المتأكسدة إلى المواد المختزلة. ويوضح كل من الشكلين 4-1 و4-2 تفاعلًا بسيطًا للأكسدة والاختزال؛ حيث تتأكسد ذرات الخارصين لتكون أيونات الخارصين Zn²⁺، ويكتسب أيون النحاس Cu²⁺ الإلكترونين اللذين فقدتهما ذرة خارصين ليكون ذرة النحاس. وتبين المعادلة الأيونية الكلية الآتية انتقال الإلكترونات:

Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)

أنصاف التفاعل

يتألف هذا التفاعل من نصفي تفاعل الأكسدة والاختزال الآتيين:

نصف تفاعل الأكسدة: فقدان الإلكترونات:

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻

نصف تفاعل الاختزال: اكتساب الإلكترونات:

Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)

ترى، ماذا يحدث لو فصل تفاعل نصف الأكسدة عن نصف تفاعل الاختزال؟ وهل يمكن أن يحدث التفاعل؟ ومع الأخذ في الاعتبار الشكل 4-1a، غمست فيه شريحة الخارصين في محلول كبريتات الخارصين، وغُمست فيه شريحة النحاس في محلول كبريتات النحاس II.

الشكل 4-1

a. غمست شريحة الخارصين في محلول 1M من كبريتات الخارصين، وغُمست شريحة النحاس في محلول 1M من كبريتات النحاس.
b. تم توصيل شريحتي الخارصين والنحاس بسلك كهربائي لتوفير طريق لتدفق الإلكترونات، إلا أن الطريق لم تكتمل بعد، ولا يمكن مرور الإلكترونات فيها.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_4-1_فصل_نصفي_تفاعل_الأكسدة_والاختزال.png

#

الشكل 4-2

إضافة القنطرة الملحية إلى جانب السلك تعمل على إكمال طريق التدفق؛ فتتحرك الأيونات السالبة خلال القنطرة الملحية نحو الخارصين، أما الأيونات الموجبة فتتحرك خلال القنطرة نحو النحاس.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_4-2_القنطرة_الملحية_وتدفق_الإلكترونات.png

هناك مشكلتان تمنعان حدوث تفاعل الأكسدة والاختزال: الأولى أنه لا يوجد أي طريق تنقل الإلكترونات من ذرات الخارصين إلى أيونات النحاس، وهذه يمكن حلها بتوصيل شريحتي الخارصين والنحاس بأسلاك معدنية، كما في الشكل 4-1b؛ إذ يعمل السلك عمل ممر لتدفق الإلكترونات من الخارصين إلى النحاس.

أما الثانية فعندما توضع الشرائح المعدنية في خلاياها تبدأ الأكسدة عند الخارصين، في حين يبدأ الاختزال عند النحاس، إلا أن هذه التفاعلات لا تستمر؛ لأن أيونات الخارصين الموجبة تتراكم حول قطب الخارصين خلال تأكسده، كما تتراكم أيونات الكبريتات السالبة حول قطب النحاس خلال اختزاله، وهذا التراكم للأيونات يوقف أي استمرار للتفاعل.

ولحل هذه المشكلة تستعمل القنطرة الملحية؛ وهي ممر لتدفق الأيونات من جهة إلى أخرى، كما في الشكل 4-2. وتتكون من أنبوب يحتوي على محلول موصل للتيار الكهربائي، محلول إلكتروليتي، مثل ملح ذائب في الماء مثل KCl، ويحفظ داخل الأنبوب بواسطة جل هلامي أو غشاء يسمح للأيونات بالحركة من خلاله.

وعندما يوصل السلك الفلزي والقنطرة الملحية مكانها يبدأ تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي، وتنتقل الإلكترونات عبر السلك من نصف تفاعل الأكسدة إلى نصف تفاعل الاختزال، في حين تنتقل الأيونات السالبة والموجبة خلال القنطرة الملحية. ويسمى تدفق الأجسام المشحونة التيار الكهربائي. ففي الشكل 4-2 تتدفق الإلكترونات خلال السلك، وتتحرك الأيونات خلال القنطرة الملحية، فيتكون ما يعرف بالتيار الكهربائي، وتنتج طاقة تدفع الإلكترونات لإضاءة المصباح.

الخلايا الكهروكيميائية

يبين الشكل 4-2 نوعًا من الخلايا الكهروكيميائية يعرف بالخلايا الجلفانية. والخلية الكهروكيميائية جهاز يستعمل تفاعل الأكسدة والاختزال لإنتاج طاقة كهربائية، أو يستعمل الطاقة الكهربائية لإحداث تفاعل كيميائي. والخلية الجلفانية نوع من الخلايا الكهروكيميائية التي تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية بواسطة تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي.

وقد سميت أيضًا الخلايا الفولتية نسبة إلى أليساندرو فولتا Alessandro Volta العالم الفيزيائي الإيطالي 1745-1827م، الذي نسب إليه الاختراع عام 1800م، انظر الشكل 4-3.

الشكل 4-3

خلية نسخة طبق الأصل من أول خلية لأليساندرو فولتا تتكون من ألواح من الخارصين والنحاس، وبينهما مادة عازلة منفصلة بقطع قماش أو ورق مقوى مغموس بمحلول حمضي، وتزداد شدة التيار الكهربائي المتولد بزيادة عدد الأقراص المعدنية المستخدمة.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_4-3_خلية_فولتا_الأصلية.png

#

كيمياء الخلايا الجلفانية

Chemistry of Voltaic Cells

تتكون الخلايا الكهروكيميائية من جزأين يطلق على كل منهما نصف الخلية، حيث يحدث نصف تفاعل الأكسدة والاختزال المنفصل. ويحتوي كل نصف خلية على قطب ومحلول يشتمل على أيونات. ويتكون القطب من مادة موصلة للتيار الكهربائي، وعادة ما تكون هذه المادة قطعة معدنية أو قطعة من الجرافيت توصل الإلكترونات من محلول نصف الخلية وإليه.

ويوضح الشكل 4-2a كأس قطب الخارصين التي يحدث فيها نصف تفاعل الأكسدة، وكأس قطب النحاس التي يحدث فيها نصف تفاعل الاختزال. ويسمى القطب الذي يحدث عنده تفاعل الأكسدة الأنود (المصعد)، في حين يسمى القطب الذي يحدث عنده تفاعل الاختزال الكاثود (المهبط).

ماذا قرأت؟

حدد أي الكأسين في الشكل 4-2 تحتوي على الأنود؟

الخلايا الجلفانية والطاقة

طاقة الوضع لأي جسم ناتجة عن موضعه أو مكوناته. لذا تعد طاقة الوضع الكهربائية في الكيمياء الكهربائية مقياس كمية التيار التي يمكن توليدها من خلية جلفانية للقيام بشغل. وتستطيع الشحنة الكهربائية الانتقال بين نقطتين فقط عندما يكون هناك فرق في طاقة الوضع الكهربائية بينهما.

وهكذا فإن النقطتين في الخلايا الكهروكيميائية والبطاريات؛ حيث تدفع الإلكترونات المتراكمة عند الأنود نحو الكاثود. ويسمى قوة الدفع الكهربائية الناشئة عن وجود فرق في طاقة الوضع الكهربائية بين القطبين، وتعرف بجهد الخلية. والفولت هو الوحدة المستعملة في قياس جهد الخلية. وفرق الجهد في الخلية الجلفانية هو إشارة إلى كمية الطاقة المتوافرة لدفع الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود.

انظر إلى التيار الظاهر في الشكل 4-4؛ حيث تقف الأفعوانية عند قمة المنحدر لحظة قصيرة، ثم تتحرك من موقعها المرتفع نزولًا إلى أسفل؛ بسبب اختلاف طاقة الوضع للجاذبية الأرضية بين قاع المسار وقمته. وتتحدد طاقة الأفعوانية الحركية بواسطة الاختلاف في الارتفاع بين قاع المسار وقمته.

وكذلك تحدد طاقة الإلكترونات المتدفقة من الأنود إلى الكاثود في الخلايا الجلفانية بواسطة الاختلاف في طاقة الوضع الكهربائية بين القطبين. ووفقًا لقدرات تفاعل الأكسدة والاختزال يتحدد فرق جهد الخلية بمقارنة مدى قابلية فلزات الأقطاب على اكتساب الإلكترونات؛ فكلما زاد الفرق بين القطبين زاد فرق جهد الخلية، وزاد معه أيضًا جهد الخلية.

الشكل 4-4

عندما تكون الأفعوانية في قمة المسار يكون لها طاقة وضع عالية بالنسبة إلى المسار المنخفض بسبب اختلاف الارتفاع، وبالمثل يكون للخلية الكهروكيميائية طاقة وضع لإنتاج تيار بسبب اختلاف قابلية الأقطاب لتحريك الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_4-4_العلاقة_بين_طاقة_الوضع_وجهد_الخلية.png

#

وتسحب قوة الجاذبية هواة رياضة الغطس في الماء دائمًا للسقوط نحو وضع منخفض من الطاقة، وليس إلى أعلى؛ حيث يكون مستوى الطاقة أعلى. وعندما يقفز الغواص من فوق لوح الغوص تكون حركته إلى أسفل بصورة تلقائية.

وكذلك في خلية الخارصين - النحاس وتحت الظروف القياسية، تكتسب أيونات النحاس عند الكاثود الإلكترونات بسهولة أكثر من الخارصين عند الأنود؛ لذا يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال تلقائيًا فقط عندما تتدفق الإلكترونات من الخارصين إلى النحاس.

المفردات

أصل الكلمة

Correspond: التلازم
الموافقة أو الانسجام.
تتوافق الاتجاهات مع الخريطة، أو الأكسدة والاختزال عمليتان متلازمتان.

اسم الصورة المرتبطة:
أصل_الكلمة_التلازم_Correspond.png

حساب فرق الجهد في الخلايا الكهروكيميائية

Calculating Electrochemical Cell Potentials

من المعروف أن اكتساب الإلكترونات يسمى اختزالًا. وبناءً على هذه الحقيقة فإن مدى قابلية المادة لاكتساب الإلكترونات وإنتاج جهد الاختزال لهذه المادة. ولا يمكن تحديد جهد اختزال القطب بصورة مباشرة؛ وذلك لأن نصف تفاعل الاختزال لا بد أن يقترن بنصف تفاعل الأكسدة. وعند اقتران نصفي التفاعل فإن الجهد الناتج يساوي فرق الجهد لنصفي التفاعل. ويعبر عن فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين بالفولت V.

قطب الهيدروجين القياسي

ولتحديد جهود الاختزال للخلية يجب أن يقاس جهد الاختزال لكل الأقطاب مقابل قطب واحد، فاختاروا قطب الهيدروجين القياسي الذي يتكون من شريحة صغيرة من البلاتين مغموسة في محلول حمض الهيدروكلوريك HCl الذي يحتوي على أيونات هيدروجين بتركيز 1M. ويتم ضخ غاز الهيدروجين H₂ في المحلول تحت ضغط 1atm ودرجة حرارة 25°C. وتعرف هذه الظروف بالظروف القياسية، كما في الشكل 4-5.

ويكون فرق الجهد لقطب الهيدروجين القياسي، المسمى جهد الاختزال القياسي، مساويًا 0.000V، ويعمل هذا القطب بوصفه نصف تفاعل اختزال أو نصف تفاعل أكسدة اعتمادًا على نصف الخلية الموصلة به. والتفاعلان اللذان يمكن حدوثهما عند قطب الهيدروجين القياسي هما:

2H⁺(aq) + 2e⁻ ⇌ H₂(g)
E° = 0.000V

الشكل 4-5

يتكون قطب الهيدروجين القياسي من قطب بلاتين ينفذ فوق غاز الهيدروجين عند 1atm ومحلول حمضي يحتوي على أيونات هيدروجين بتركيز 1M. ويعرف فرق جهد الاختزال لهذا الترتيب بالقيمة 0.000V.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_4-5_قطب_الهيدروجين_القياسي.png

#

جهود نصف الخلية

قام الكيميائيون عبر السنين بقياس جهود الاختزال القياسية وتسجيلها لعدد من أنصاف الخلايا. ويرتب الجدول 4-1 بعض تفاعلات نصف الخلية الشائعة تصاعديًا بحسب قيم جهود الاختزال. وقد تم الحصول على القيم في الجدول من خلال قياس الجهد عند توصيل كل نصف خلية بنصف خلية قطب الهيدروجين القياسية.

وقد كتبت التفاعلات جميعها في الجدول 4-1 في صورة تفاعلات اختزال. وضع ذلك في أي خلية جلفانية تحتوي دائمًا على نصفي تفاعل؛ يحدث نصف التفاعل الذي له جهد اختزال أقل في اتجاه عكسي ويوصف بتفاعل أكسدة؛ أي إن نصف التفاعل الذي له جهد اختزال موجب أكبر يحدث في صورة اختزال، أما نصف التفاعل الذي له جهد اختزال سالب أكبر فيحدث في صورة أكسدة.

ويجب أن يقاس جهد القطب تحت الظروف القياسية، وهي غمس القطب في محلول من أيوناته تركيزه 1M عند 25°C و1atm. حيث يشير الصفر فوق E° إلى اختصار أن القياس تم تحت ظروف قياسية.

الجدول 4-1

جهود الاختزال القياسية

| نصف التفاعل | E°(V) |
| ------------------------------- | -------: |
| F₂ + 2e⁻ → 2F⁻ | +2.866 |
| S₂O₈²⁻ + 2e⁻ → 2SO₄²⁻ | +2.010 |
| Co³⁺ + e⁻ → Co²⁺ | +1.92 |
| H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O | +1.776 |
| Au⁺ + e⁻ → Au | +1.692 |
| MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O | +1.507 |
| Au³⁺ + 3e⁻ → Au | +1.498 |
| Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻ | +1.35827 |
| O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O | +1.229 |
| Pt²⁺ + 2e⁻ → Pt | +1.18 |
| Br₂ + 2e⁻ → 2Br⁻ | +1.066 |
| NO₃⁻ + 4H⁺ + 3e⁻ → NO + 2H₂O | +0.957 |
| 2Hg²⁺ + 2e⁻ → Hg₂²⁺ | +0.920 |
| Hg²⁺ + 2e⁻ → Hg | +0.851 |
| Ag⁺ + e⁻ → Ag | +0.7996 |
| Hg₂²⁺ + 2e⁻ → 2Hg | +0.7973 |
| NO₃⁻ + 2H⁺ + e⁻ → NO₂ + H₂O | +0.775 |
| Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺ | +0.771 |
| I₂ + 2e⁻ → 2I⁻ | +0.5355 |
| O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ | +0.401 |
| Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu | +0.3419 |
| Cu²⁺ + e⁻ → Cu⁺ | +0.153 |
| 2H⁺ + 2e⁻ → H₂ | 0.0000 |
| Fe³⁺ + 3e⁻ → Fe | -0.037 |
| Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb | -0.1262 |
| Sn²⁺ + 2e⁻ → Sn | -0.1375 |
| Ni²⁺ + 2e⁻ → Ni | -0.257 |
| Co²⁺ + 2e⁻ → Co | -0.28 |
| PbSO₄ + 2e⁻ → Pb + SO₄²⁻ | -0.3588 |
| PbI₂ + 2e⁻ → Pb + 2I⁻ | -0.365 |
| Cd²⁺ + 2e⁻ → Cd | -0.4030 |
| Fe²⁺ + 2e⁻ → Fe | -0.447 |
| S + 2e⁻ → S²⁻ | -0.47627 |
| Cr³⁺ + 3e⁻ → Cr | -0.744 |
| Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn | -0.7618 |
| 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ | -0.8277 |
| Cr²⁺ + 2e⁻ → Cr | -0.913 |
| Mn²⁺ + 2e⁻ → Mn | -1.185 |
| Al³⁺ + 3e⁻ → Al | -1.662 |
| Be²⁺ + 2e⁻ → Be | -1.847 |
| Mg²⁺ + 2e⁻ → Mg | -2.372 |
| Na⁺ + e⁻ → Na | -2.71 |
| Ca²⁺ + 2e⁻ → Ca | -2.868 |
| Li⁺ + e⁻ → Li | -3.0401 |

اسم الصورة المرتبطة:
الجدول_4-1_جهود_الاختزال_القياسية.png

#

الشكل 4-6

a. عند توصيل قطب Cu|Cu²⁺ بقطب هيدروجين تتدفق الإلكترونات في اتجاه من قطب الهيدروجين إلى أيونات Cu²⁺ لتصبح ذرات Cu، وفرق الجهد لهذا التفاعل يساوي +0.342V.
b. وعند توصيل قطب Zn|Zn²⁺ بقطب الهيدروجين تتدفق الإلكترونات مبتعدة عن لوح الخارصين، فتتأكسد ذرات الخارصين إلى أيونات Zn²⁺، وفرق الجهد لهذا التفاعل يساوي -0.762V.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_4-6_تحديد_جهود_اختزال_الخلية_الكهروكيميائية.png

تحديد جهود اختزال الخلية الكهروكيميائية

يمكنك استعمال الجدول 4-1 في حساب الجهد الكهربائي لخلية جلفانية مكونة من قطب نحاس وقطب خارصين تحت الظروف القياسية. وتكون الخطوة الأولى هي تحديد جهود الاختزال القياسية لنصف خلية النحاس E° عند توصيل قطب النحاس بقطب الهيدروجين القياسي، كما في الشكل 4-6a؛ حيث تتدفق الإلكترونات من قطب الهيدروجين إلى قطب النحاس، وتختزل أيونات النحاس إلى فلز النحاس.

وتساوي قيمة E° المقيسة بواسطة مقياس فرق الجهد +0.342V. ويشير الجهد الموجب إلى أن أيونات Cu²⁺ عند قطب النحاس تكتسب إلكترونات بسهولة أكثر من أيونات H⁺ من قطب الهيدروجين القياسي، لذا يحدث الاختزال عند قطب النحاس في حين تحدث الأكسدة عند قطب الهيدروجين. وتكون أنصاف تفاعلات الأكسدة والاختزال والتفاعل الكلي كما يلي:

H₂(g) → 2H⁺(aq) + 2e⁻
نصف تفاعل التأكسد

Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)
نصف تفاعل الاختزال

H₂(g) + Cu²⁺(aq) → 2H⁺(aq) + Cu(s)
التفاعل الكلي

ويمكن كتابة هذا التفاعل بصيغة تعرف بـ "رمز الخلية":

H₂ | H⁺(1M) || Cu²⁺(1M) | Cu
E°Cu = +0.342V

تكتب الذرات/الأيونات، والتركيز، الداخلة في عملية الأكسدة أولًا وبالترتيب الذي تظهر فيه في نصف تفاعل الأكسدة، ثم يوضع خط عمودي | ليمثل الحدود الفاصلة بين مكونات الخلية. وتربط نصفي الخلية بخطين عموديين || يمثلان السلك والقنطرة الملحية، وتكتب الذرات/الأيونات الداخلة في الاختزال بالترتيب نفسه. لاحظ ضرورة وضع إشارة ناتج الجمع لقيم E° قبل قيمة الجهد.

#

إن الخطوة الآتية هي تحديد جهد الاختزال القياسي لنصف خلية الخارصين E°Zn عندما يقاس جهد اختزال الخارصين مقابل قطب الهيدروجين القياسي تحت الظروف القياسية، كما في الشكل 4-6b، حيث تتدفق الإلكترونات من قطب الخارصين إلى قطب الهيدروجين.

وعند قياس قيمة E° لنصف خلية الخارصين بواسطة مقياس فرق الجهد فإنها تساوي -0.762V. وهذا يعني أن أيونات الهيدروجين عند قطب الهيدروجين تكتسب الإلكترونات بسهولة أكثر من أيونات الخارصين، لذا يكون جهد اختزال أيونات الهيدروجين أعلى من جهد اختزال أيونات الخارصين. تذكر أن جهد الاختزال للهيدروجين تم تعيينه بالقيمة 0.00V، لذا فإن جهد اختزال قطب الخارصين يجب أن تكون قيمته سالبة.

ويمكن كتابة التفاعل الكلي على النحو الآتي:

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
نصف تفاعل الأكسدة

2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
نصف تفاعل الاختزال

Zn(s) + 2H⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + H₂(g)
التفاعل الكلي

ويمكن كتابة هذا التفاعل بصيغة تعرف بـ "رمز الخلية":

Zn | Zn²⁺(1M) || H⁺(1M) | H₂
E°Zn = -0.762V

أما الخطوة النهائية في حساب جهد الخلية الكهروكيميائية، فتكون بجمع نصفي تفاعل النحاس والخارصين، على أنها خلية جلفانية، وهذا يعني حساب جهد الخلية الجلفانية القياسي باستعمال المعادلة الآتية:

معادلة جهد الخلية

E°cell = E°cathode - E°anode

جهد الخلية القياسي يساوي الجهد القياسي لنصف خلية الاختزال مطروحًا منه الجهد القياسي لنصف خلية التأكسد.

ولما كان الاختزال يحدث عند قطب النحاس، والأكسدة تحدث عند قطب الخارصين، فإن قيم E° يمكن تعويضها على النحو الآتي:

E°cell = E°Cu²⁺|Cu - E°Zn²⁺|Zn

E°cell = +0.342V - (-0.762V)

E°cell = +1.104V

ويـوضح الشكل 4-7 طريقة حساب الجهد الكلي لهذه الخلية.

اسم الصورة المرتبطة:
معادلة_حساب_جهد_الخلية_الجلفانية_القياسي.png

الشكل 4-7

يوضح كيف يحسب جهد الخلية الكلي من فرق جهود الاختزال للقطبين.

اختبار الرسم البياني

أيهما يتأكسد أسهل من الهيدروجين: النحاس أم الخارصين؟

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_4-7_حساب_جهد_الخلية_الكلي_من_فرقي_جهود_الاختزال.png

#

مثال 4-1

حساب جهد الخلية

تمثل أنصاف تفاعلات الاختزال الآتية نصفي خلية جلفانية:

I₂(s) + 2e⁻ → 2I⁻(aq)

Fe²⁺(aq) + 2e⁻ → Fe(s)

حدد التفاعل الكلي للخلية وجهدها القياسي، ثم اكتب رمز الخلية.

1 تحليل المسألة

لقد أعطيت معادلات أنصاف الخلية، ويمكن إيجاد جهود الاختزال القياسية من الجدول 4-1. وسيكون نصف التفاعل الذي له أقل جهد اختزال هو تفاعل الأكسدة، وسيعكس اتجاهه لموازنة كتابة التفاعل الكلي للخلية وكتابة رمزها.

المعطيات

جهود الاختزال القياسية لأنصاف الخلايا:

E°cell = E°cathode - E°anode

المطلوب

التفاعل الكلي للخلية = ؟
E°cell = ؟
رمز الخلية = ؟

2 حساب المطلوب

أوجد قيم جهود الاختزال القياسية لكل نصف خلية من الجدول 4-1:

I₂(s) + 2e⁻ → 2I⁻(aq)
E°I₂|I⁻ = +0.536V

Fe²⁺(aq) + 2e⁻ → Fe(s)
E°Fe²⁺|Fe = -0.447V

لأن جهد الاختزال الموجب أكبر، فإن تفاعل اليود سوف يستمر في الاتجاه الطردي في صورة اختزال، في حين يستمر نصف تفاعل الحديد في الاتجاه العكسي في صورة أكسدة.

أعد كتابة نصف تفاعل الحديد في الاتجاه الصحيح:

Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
نصف تفاعل الأكسدة

I₂(s) + 2e⁻ → 2I⁻(aq)
نصف تفاعل الاختزال

اجمع المعادلتين:

I₂(s) + Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2I⁻(aq)
التفاعل الكلي للخلية

احسب جهد الخلية القياسي:

E°cell = E°cathode - E°anode

E°cell = E°I₂|I⁻ - E°Fe²⁺|Fe

E°cell = +0.536V - (-0.447V)

E°cell = +0.983V

كتابة رمز الخلية

اكتب أولًا نصف تفاعل الأكسدة باستعمال رمز المادة المتفاعلة ثم الناتجة:

Fe | Fe²⁺

اكتب بعد ذلك نصف تفاعل الاختزال عن اليمين، وافصل بين نصفي التفاعل بخطين عموديين:

Fe | Fe²⁺(1M) || I₂ | I⁻(1M)

رمز الخلية:

Fe | Fe²⁺(1M) || I₂ | I⁻(1M)

3 تقويم الإجابة

جهد الاختزال المحسوب معقول بالنظر إلى جهود أنصاف الخلية.

اسم الصورة المرتبطة:
مثال_4-1_حساب_جهد_الخلية.png

#

مسائل تدريبية

اكتب معادلة موزونة للتفاعل الخلوي الكلي لكل من أزواج أنصاف التفاعلات الآتية. احسب جهد الخلية القياسي، ثم اكتب رمز الخلية. ارجع إلى قواعد وزن معادلات الأكسدة والاختزال التي درستها سابقًا.

Pt²⁺(aq) + 2e⁻ → Pt(s)
Sn²⁺(aq) + 2e⁻ → Sn(s)

Co²⁺(aq) + 2e⁻ → Co(s)
Cr³⁺(aq) + 3e⁻ → Cr(s)

Hg₂²⁺(aq) + 2e⁻ → 2Hg(l)
Cr²⁺(aq) + 2e⁻ → Cr(s)

تحفيز: عند اتصال معادلة ونصفا التفاعل للخلية، احسب جهد الخلية القياسي للتفاعل الذي يحدث عندما توصل هذه الخلايا معًا، ثم اكتب رمز الخلية.

NO₃⁻(aq) + 4H⁺(aq) + 3e⁻ → NO(g) + 2H₂O(l)

O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)

اسم الصورة المرتبطة:
مسائل_تدريبية_جهود_الخلية_القياسية.png

استعمال جهود الاختزال القياسية

Using Standard Reduction Potentials

توضح الأمثلة كيفية استعمال البيانات في الجدول 4-1 لحساب الجهد القياسي للخلايا الجلفانية، والاستعمال الآخر المهم لجهد الاختزال القياسي هو تحديد هل سيكون التفاعل التلقائي ممكنًا.

وتطلق القواعد القياسية تلقائيًا. وكما يمكن أن تكون جهود الاختزال القياسية مؤشرًا على التلقائية؛ فتتدفق الإلكترونات في الخلية الجلفانية من نصف الخلية ذات جهد الاختزال القياسي الأقل إلى نصف الخلية ذات جهد الاختزال القياسي الأكبر؛ لتعطي جهدًا موجبًا للخلية.

ولتوقع حدوث تفاعل أكسدة واختزال معين بشكل تلقائي، اكتب التفاعل في صورة أنصاف تفاعل، وابحث عن جهد الاختزال لكل منهما. واستخدم هذه القيم لحساب جهد الخلية الجلفانية. فإذا كان الجهد المحسوب موجبًا يكون التفاعل تلقائيًا، أما إذا كانت القيمة سالبة فالتفاعل غير تلقائي. لكن في حالة عكس تفاعل غير تلقائي، ستكون له جهد خلية موجب، وهذا يعني أن التفاعل العكسي يكون تلقائيًا.

ماذا قرأت؟

حدد إشارة جهد الخلية القياسي لتفاعل الأكسدة والاختزال الذي يحدث بصورة تلقائية.

مسائل تدريبية

احسب جهد الخلية لتحديد ما إذا كانت تفاعلات الأكسدة والاختزال الآتية تحدث بصورة تلقائية كما هي مكتوبة أم لا. واستعمل الجدول 4-1 لمساعدتك على تحديد أنصاف التفاعل الصحيحة:

Sn(s) + Cu²⁺(aq) → Sn²⁺(aq) + Cu(s)

Mg(s) + Pb²⁺(aq) → Pb(s) + Mg²⁺(aq)

2Mn²⁺(aq) + 8H₂O(l) + 10Hg²⁺(aq) → 2MnO₄⁻(aq) + 16H⁺(aq) + 5Hg₂²⁺(aq)

2SO₄²⁻(aq) + Co²⁺(aq) → Co(s) + S₂O₈²⁻(aq)

تحفيز: غير المعادلة، وحدد جهد الخلية القياسي للخلية الآتية باستعمال الجدول 4-1. هل التفاعل تلقائي؟

Al | Al³⁺(1M) || Hg₂²⁺(1M) | Hg(l)

اسم الصورة المرتبطة:
مسائل_تدريبية_استعمال_جهود_الاختزال_القياسية.png

#

استراتيجية حل المسألة

تحديد جهود الخلية

تلخص الخطوات الخمس الآتية إجراءات حساب جهد الخلية الجلفانية التي يحدث فيها تفاعل الأكسدة والاختزال بشكل تلقائي.

افترض أن عليك كتابة معادلة للخلية التي يحدث فيها تفاعل الأكسدة والاختزال بين الحديد والمنغنيز. كل ما تحتاج إليه هو جدول جهود الاختزال، مثل الجدول 4-1.

1

ابحث عن نصفي التفاعل في الجدول 4-1.

2

قارن بين جهد نصفي الخلية. نصف الخلية التي لها جهد اختزال أعلى هي التي سيحدث عندها الاختزال، في حين تحدث أكسدة في نصف الخلية التي لها جهد اختزال أقل.

Fe³⁺(aq) + 3e⁻ → Fe(s)
E° = -0.037V

Mn²⁺(aq) + 2e⁻ → Mn(s)
E° = -1.185V

3

اكتب معادلة الاختزال كما هي في الجدول 4-1، واكتب معادلة الأكسدة في الاتجاه العكسي:

Fe³⁺(aq) + 3e⁻ → Fe(s)

Mn(s) → Mn²⁺(aq) + 2e⁻

4

زن الإلكترونات في معادلات نصفي الخلية بضرب كلتا المعادلتين في عواملها المناسبة، ثم اجمعها:

2Fe³⁺(aq) + 6e⁻ → 2Fe(s)
اضرب في 2

3Mn(s) → 3Mn²⁺(aq) + 6e⁻
اضرب في 3

2Fe³⁺(aq) + 3Mn(s) → 2Fe(s) + 3Mn²⁺(aq)
اجمع المعادلتين

5

لا تؤثر مساواة الإلكترونات المفقودة والمكتسبة في E° للتفاعل الكلي. استخدم الصيغة:

E°cell = E°reduction - E°oxidation

للحصول على جهد الخلية:

E°cell = E°Fe³⁺|Fe - E°Mn²⁺|Mn

E°cell = -0.037V - (-1.185V)

E°cell = +1.148V

استراتيجية حل المسألة

حدد E° لتفاعل التأكسد والاختزال التلقائي الذي يحدث بين المغنيسيوم والنيكل.

اسم الصورة المرتبطة:
استراتيجية_حل_المسألة_تحديد_جهود_الخلية.png

التقويم 4-1

الخلاصة

يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال في الخلايا الجلفانية على أقطاب منفصلة بعضها عن بعض.
جهد نصف خلية التفاعل القياسي هو جهد التيار الناتج عند اقترانها بقطب الهيدروجين القياسي تحت الظروف القياسية.
يكون جهد اختزال نصف الخلية سالبًا إذا حدثت الأكسدة عند توصيلها بقطب الهيدروجين القياسي، ويكون لها جهد اختزال موجب إذا حدث لها اختزال عند توصيلها بقطب الهيدروجين القياسي.
الجهد القياسي لخلية جلفانية هو الفرق بين جهود الاختزال لأنصاف الخلايا.

أسئلة التقويم

الفكرة الرئيسية: صف الظروف التي تؤدي عندما تفاعل الأكسدة والاختزال إلى تدفق التيار الكهربائي خلال السلك.

حدد مكونات الخلية الجلفانية، وفسر دور كل مكون في عملية تشغيل الخلية.

اكتب المعادلة الموزونة لتفاعل الخلية التلقائي الذي يحدث في الخلية التي لها أنصاف تفاعل الاختزال الآتية:

a.
Ni²⁺(aq) + 2e⁻ → Ni(s)
Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s)

b.
2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
Mg²⁺(aq) + 2e⁻ → Mg(s)

c.
Fe³⁺(aq) + 3e⁻ → Fe(s)
Sn²⁺(aq) + 2e⁻ → Sn(s)

d.
Pt²⁺(aq) + 2e⁻ → Pt(s)
PbI₂(s) + 2e⁻ → Pb(s) + 2I⁻(aq)

حدد الجهد القياسي للخلايا الكهروكيميائية، حيث تمثل كل معادلة التفاعل الكلي للخلية. وحدد أيضًا هل التفاعلات المذكورة أدناه تلقائية أم غير تلقائية.

a.
2Al + 3Cu²⁺ → 3Cu + 2Al³⁺

b.
Hg²⁺(aq) + 2Cu⁺(aq) → 2Cu²⁺(aq) + Hg(l)

c.
Cd(s) + 2NO₃⁻(aq) + 4H⁺(aq) → Cd²⁺(aq) + 2NO₂(g) + 2H₂O(l)

صمم خريطة مفاهيم للبند 4-1 مبتدئًا بالمصطلح "خلية كهروكيميائية"، ثم أدرج جميع المصطلحات الجديدة في خريطتك.

اسم الصورة المرتبطة:
التقويم_4-1_الخلايا_الجلفانية.png

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.

إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم

طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.

خبير مناهج سعودية

اختر نمط التعلم

تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.