الباب الرابع: الكيمياء الكهربية
الخلايا الجلفانية وإنتاج الطاقة الكهربية
Daniel cell — OCR + lab + SVG.
اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً
Daniel cell — OCR + lab + SVG.
- ✓يفسر التفاعلات في الخلية الجلفانية
- ✓يبين قطب الهيدروجين القياسي SHE
- ✓يحسب E°cell ويميز جلفانية/إلكتروليتية
- ✓يكتب الرمز الاصطلاحي للخلية
| نصف الحلبة (نصف التفاعل) | جهد الاختزال القياسي (فولت) | جهد الاختزال القياسي (فولت) | |
|---|---|---|---|
| Li | + 3.045 | - 3.045 | - 3.045 |
| K | + 2.924 | - 2.924 | - 2.924 |
| Na | + 2.711 | - 2.711 | - 2.711 |
| Mg | + 2.375 | - 2.375 | - 2.375 |
| Al | + 1.670 | - 1.670 | - 1.670 |
| Mn | + 1.029 | - 1.029 | - 1.029 |
| Zn | + 0.762 | - 0.762 | - 0.762 |
| Cr | + 0.740 | - 0.740 | - 0.740 |
| Cr | + 0.557 | - 0.557 | - 0.557 |
| Cr^{2+} | + 0.410 | - 0.410 | - 0.410 |
| Fe | + 0.409 | - 0.409 | - 0.409 |
| Cd | + 0.402 | - 0.402 | - 0.402 |
| Co | + 0.280 | - 0.280 | - 0.280 |
| Ni | + 0.230 | - 0.230 | - 0.230- |
| Pb | + 0.126 | - 0.126 | - 0.126 |
| H_{2} | Zero 2H^{+}+2^{e} | Zero - 0.150 | Zero + 0.150 |
| Sn^{2+} | + 0.150 | - 0.340 | + 0.340 |
| Cu | + 0.340 | - 0.401 | + 0.401 |
| 4OH | + 0.401 | - 0.800 | + 0.800 |
| Ag | + 0.800 | - 1.200 | + 1.200 |
| Pt | + 1.200 | - 1.420 | + 1.420 |
| Au | + 1.420 | - 2.87 | + 2.87 |
| 2F | + 2.87 | - 2.87 | + 2.87 |
لماذا يترسب النحاس على صفيحة Zn في CuSO₄؟ أين تذهب الإلكترونات؟
فقد e⁻ · ذوبان Zn
اكتساب e⁻ · ترسب Cu
أكسدة-اختزال تلقائي
→ تيار (دانيال)
غير تلقائي
← طاقة خارجية
كل إناء = نصف خلية. عند توصيل القطبين بسلك → تيار. يتوقف عند استهلاك Zn أو نضوب Cu²⁺. الأكسدة دائماً عند الأنود · الاختزال عند الكاثود.
أنبوبة U بمحلول إلكتروليتي (Na₂SO₄) لا يتفاعل مع أيونات نصفي الخلية. توصل المحلولين بطريقة غير مباشرة وتعادل الأيونات الزائدة في كل نصف. غيابها → توقف التفاعل ولا تيار.
Pt (1 cm²) + Pt أسود + H₂(g) @ 1 atm + [H⁺] = 1 M → SHE · E° = 0
يُقاس جهد القطب المجهول بمقارنته بـ SHE.
E°red(Cu) = +0.34 V · E°red(Zn) = −0.76 V
أو: E°ox(Zn) + E°red(Cu) = 0.76 + 0.34 = 1.10 V — موجب دائماً
الكاثود = سالب
الكاثود = موجب · الأنود = سالب
معادلة التفاعُل النصفي للاتزان هي: C u ( ) C u ( ) + 2 e s a q 2 + –
تخيَّل أن لدينا كأسًا زجاجية أخرى تحتوي على فلز الزنك في حالة اتزان مع أيونات الزنك في المحلول. معادلة التفاعُل النصفي للاتزان هي: Z n ( ) Z n ( ) + 2 e s a q 2 + –
تخيَّل أن لدينا كأسًا زجاجية أخرى تحتوي على فلز الزنك في حالة اتزان مع أيونات الزنك في المحلول. معادلة التفاعُل النصفي للاتزان هي: Z n ( ) Z n ( ) + 2 e s a q 2 + –
يُمكننا أن نعتبر هذين الفلزين قطبين يُستخدَمان لنقل الشحنة من وإلى المحلول. عادة ما تُصنَع الأقطاب من الفلزات، ولكنْ أحيانًا تُصنَع من اللافلزات مثل الجرافيت. ويُمكن أيضًا أن ينقل القطبان الإلكترونات من وإلى الدائرة، لكنْ في الأشكال السابقة، لا تُوجَد دوائر كاملة. سنناقِش لاحقًا كيفية سريان الإلكترونات من وإلى الأقطاب في الدائرة.
أيُّ الأشكال الآتية يُصوِّر الاتزان الموجود بين قطعة من فلز الزنك تُلامِس محلولًا مائيًّا من أيونات الزنك؟
أيُّ الأشكال الآتية يُصوِّر الاتزان الموجود بين قطعة من فلز الزنك تُلامِس محلولًا مائيًّا من أيونات الزنك؟
أيُّ الأشكال الآتية يُصوِّر الاتزان الموجود بين قطعة من فلز الزنك تُلامِس محلولًا مائيًّا من أيونات الزنك؟
أيُّ الأشكال الآتية يُصوِّر الاتزان الموجود بين قطعة من فلز الزنك تُلامِس محلولًا مائيًّا من أيونات الزنك؟
يُمكننا توصيل القطبين الفلزيين، وهما النحاس والزنك، باستخدام أسلاك وفولتميتر ذي مقاومة عالية. بعد ذلك، يُمكننا إكمال الدائرة عن طريق توصيل محلولَي نصفَي الخليتين باستخدام قنطرة ملحية. يوضِّح الشكل تركيب دائرة كاملة.
تُصنَع القنطرة الملحية، التي تربط بين المحلولين، من أنبوب زجاجي على حرف U. ويُملَأ هذا الأنبوب بمحلول أيوني، مثل نيترات البوتاسيوم. ويُمكن لهذه الأيونات أن تتحرَّك، لتُكمِل الدائرة.
إن رسم كبير لخلية كهروكيميائية كاملة يَستغرِق وقتًا طويلًا وغير مُجدٍ. هناك طريقة أكثر سهولة لتمثيل المعلومات المتعلِّقة بالخلية الكهروكيميائية، وهي استخدام رمز الخلية الاصطلاحي. ها هو رمز الخلية الاصطلاحي للخلية الجلفانية للزنك والنحاس:
تُكتَب المعلومات الخاصة بالمصعد في الطرف الأيسر. نبدأ بكتابة رمز قطب الفلز متبوعًا بخط رأسي. يمثِّل هذا الخط الرأسي حدَّ الحالة. بعد ذلك، نكتب رمز وشحنة الأيون المناظِر في المحلول في خلية المصعد النصفية. في بعض الأحيان، يُكتَب تركيز المحلول داخل قوسين. والخط الرأسي المزدوج يمثِّل القنطرة الملحية التي تَصِل بين نصفَي الخليتين. بعد ذلك، تُكتَب المعلومات الخاصة بالمهبط في الطرف الأيمن، وبالتحديد أيون الفلز الموجود في المحلول، متبوعًا بخطٍّ رأسي يمثِّل حدَّ الحالة، ثم رمز عنصر المهبط. ولا يُضمَّن الأيون المتفرِّج في رمز الخلية الاصطلاحي. يُحَدَّد تركيز المحلول، و 1 M هو التركيز القياسي.
يُستخدَم قطب الهيدروجين القياسي، SHE، قطبًا مرجعيًّا تُقاس جهود اختزال الأقطاب الأخرى بالنسبة إليه. ترميز نصف الخلية لـ SHE هو: 2 H ( M H ( a t m P t ( ) + 2 a q g s , 1 ) | , 1 ) | والشكل الآتي يوضِّح تركيبه. فهو يتكوَّن من قطب من البلاتين أو قطب خامل آخَر في أنبوب زجاجي تمرُّ به فقاعات غاز الهيدروجين عند ضغط يساوي 1 atm. يُغمَر SHE في محلول يحتوي على أيونات الهيدروجين، H +، تركيزه 1 mol/L، ومصدره الحمضي يكون إمَّا حمض الهيدروكلوريك وإمَّا حمض الكبريتيك. يظلُّ النظام بأكمله عند درجة حرارة 2 5 ∘ C. قيمة جهد الاختزال، 𝐸 ⊖، لـ SHE تساوي 0.00 V، وتُقاس جميع جهود الاختزال الأخرى بالنسبة إلى هذه القيمة.
عند استخدام SHE لتحديد 𝐸 ⊖ لقطب آخَر، يكون الفولتميتر فولتميترًا ذا مقاومة عالية. وهذا ضروري لمنْع سريان التيار عبر الفولتميتر أثناء القياس. فإذا تدفَّق التيار عبر الفولتميتر، فسيقلُّ فرق الجهد، وتكون القراءة غير دقيقة.
تتكوَّن الخلايا الجلفانية عادة من خليتين نصفيتين، يربط بينهما قنطرة ملحية.
المصعد
من المُتعارَف عليه أننا نضع خلية الأكسدة النصفية (الخلية النصفية التي تحتوي على المصعد) على اليسار، وخلية الاختزال النصفية (الخلية النصفية التي تحتوي على المهبط) على اليمين. ونضع بينهما خطَّيْن (يُسمَّيان الأنبوبين) يُشيران إلى وجود القنطرة الملحية.
يُفصَل بين الأقطاب، والغازات، والمحاليل بخطٍّ مفرد. على سبيل المثال، هذه الخلية النصفية: Z n ( ) Z n ( ) + 2 e s a q 2 + – ستُكتَب على النحو الآتي: Z n | Z n 2 +
وستُكتَب العملية العكسية في الاتجاه المعاكس:
تُضَاف أيُّ رموز حالة أو تركيزات بين قوسين. على سبيل المثال، يُشير التعبير الآتي إلى أن لدينا قطبًا من الزنك على اتِّصال بمحلول يحتوي على أيونات Z n 2 + عند تركيز مولار واحد : Z n ( ) | Z n ( , 1 M ) s a q 2 +
يُشبه الجهاز المُستخدَم في قطب الهيدروجين القياسي الجهاز الموضَّح فيما يأتي.
يُغمَر هذا القطب في محلول حمضي قياسي بتركيز 1 M، يُطلَق غاز الهيدروجين (عند ضغط يساوي 1 bar ) على قطب البلاتين في صورة فقاعات. عادة ما تُستخدَم أحماض الكبريتيك والهيدروكلوريك، إلَّا أن العامل المُهِمِّ هو التركيز، الذي لا بدَّ أن يكون 1.0 mol/L.
يُغمَر هذا القطب في محلول حمضي قياسي بتركيز 1 M، يُطلَق غاز الهيدروجين (عند ضغط يساوي 1 bar ) على قطب البلاتين في صورة فقاعات. عادة ما تُستخدَم أحماض الكبريتيك والهيدروكلوريك، إلَّا أن العامل المُهِمِّ هو التركيز، الذي لا بدَّ أن يكون 1.0 mol/L.
يُوصَل هذا القطب بخلايا نصفية أخرى، ويُقاس فرق الجهد بالفولت:
يُوصَل هذا القطب بخلايا نصفية أخرى، ويُقاس فرق الجهد بالفولت:
يُمكننا إجراء تقدير تقريبي عند هذه المرحلة. إذا كان قطب الخلية النصفية الأخرى مصنوعًا من فلز أكثر نشاطًا، فسيكون المصعد، وستتدفَّق الإلكترونات منه إلى قطب الهيدروجين. ومن ثَمَّ، ستدخل أيونات هذا الفلز الأكثر نشاطًا إلى المحلول. في قطب الهيدروجين، ستُختزَل أيونات الهيدروجين لتكوِّن غاز الهيدروجين.
فيما يأتي جزء من سلسلة النشاط الكيميائي يوضِّح بعض الفلزات الأكثر أو الأقلَّ نشاطًا من الهيدروجين.
يُمكننا تحليل الكثير من الفلزات باستخدام قطب الهيدروجين القياسي، وقياس اتجاه تدفُّق الإلكترونات والفرق بين طاقتَيِ القطبين. ومن ثَمَّ، يُمكننا الحصول على سلسلة القُوى الدافعة الكهربية (التي تُماثِل سلسلة النشاط الكيميائي).
كلما أصبح جهد الاختزال القياسي موجبًا أكثر، زاد الميل لاستقبال إلكترونات وللاختزال. هذا يعني أن جهد الاختزال القياسي الذي قيمته موجبة أكثر يُشير إلى أن الخلية النصفية مؤكسِدة أكثر:
أو بعبارة أخرى: كلما زادت القيمة السالبة لجهد الاختزال القياسي، زادت قوة اختزال الخلية النصفية. لعلَّك تتذكَّر أن جهود الاختزال تُشير إلى اختزال الخلية النصفية، وليس قطب الهيدروجين القياسي.
دعونا نفترض أننا نوصِّل خليتين نصفيتين من النحاس والزنك معًا.
يوضِّح الجدول الآتي جهود الاختزال القياسية المناظِرة.
ولكن انتبه، تَستخدِم المصادرُ المختلفة طُرقَ ترميز مختلفة، وقد يُشير 𝐸 ا ﻷ ﻛ ﺴ ﺪ ة إلى جهد الأكسَدة أو جهد الاختزال لخلية نصفية حيث يَحدُث تفاعُل الأكسدة (جانب المصعد). فيما يأتي، نوضِّح الترميز المُستخدَم في هذه الحالة.
في هذا المثال، تبقَّى لنا الآتي: 𝐸 = 𝐸 − 𝐸 = 0. 3 4 − ( − 0. 7 6 ) = 0. 3 4 + 0. 7 6 = + 1. 1 0. ⊖ ⊖ ⊖ ا ﻟ ﺨ ﻠ ﻴ ﺔ C u | C u Z n | Z n 2 + 2 + V
أسئلة تطبيقية
٠ / ٦الأكسدة عند:
بدون قنطرة:
E°cell Zn|Cu (V):
SHE E°:
Zn في CuSO₄:
خلية تلقائية =