1ـ تفاعل تأكسد – اختزال تلقائي : ـ يحدث بمفرده دون تدخل ، ينتج عنه طاقة كهربائية حيث تتحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية .
2ـ تفاعل تأكسد – اختزال غير تلقائي : ـ يحدث فقط عندما يتم تزويده بطاقة كهربائية . حيث تتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية .
الخلايا الكهروكيميائية : ـ هي عبارة عن جهاز يتم فيه تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية أو العكس .
الخلايا الكهروكيميائية تنقسم إلى نوعين وهما : ـ
أ ) الخلايا الجلفانية : ـ
يتم فيها تفاعل تأكسد – اختزال تلقائي .
تتحول فيها الطاقة الكهربائية إلى طاقة كهربائية .
أمثلة : ـ العمود الجاف ، بطارية الزئبق ، خلية الوقود .
ب ) الخلايا الالكتروليتية ( التحليلية ) : ـ
يتم فيها تفاعل تأكسد – اختزال غير تلقائي .
تتحول فيها الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية .
أمثلة : ـ أي إناء يحتوي على الكتروليت به قطبان متصلان بمصدر كهربائي خارجي.
فكرة الخلايا الجلفانية : ـ
تجربة : ـ
عند غمس صفيحة خارصين في كأس به محلول كبريتات النحاس الزرقاء ووضع ترموميتر في المحلول يلاحظ الآتي : ـ
1ـ تدريجيا يختفي اللون الأزرق لمحلول كبريتات النحاس .
2ـ تتجع مادة حمراء داكنة على لوح الخارصين وفي قعر الكأس .
3ـ ترتفع درجة حرارة المحلول بالكأس ( نستدل من قراءة الترموميتر ) .
التفسير : ـ
كاتيونات النحاس الموجودة بالمحلول اختزلت بواسطة ذرات الخارصين كما في نصف التفاعل التالي : ـ Cu + 2 e Cu
إذن النحاس عامل مؤكسد وذلك لان كاتيونات النحاس اكتسبت الكترونات من الخارصين فتحولت تلك الكاتيونات إلى ذرات نحاس تترسب بقعر الكأس ولذلكيختفي اللون الأزرق تدريجياً .
كما أن ذرات الخارصين تأكسدت بواسطة أيونات النحاس الثنائية فتحولت إلى أيونات الخارصين الثنائية كما يوضح التفاعل التالي : -Zn Zn + 2 e
وبذلك يكون الخارصين عامل مختزل أي أن الالكترونات التي فقدتها أيونات الخارصين هي نفس الالكترونات التي اكتسبتها أيونات النحاس .
وبسبب انتقال الالكترونات من الخارصين الى النحاس تنتج طاقة حرارية تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المحلول والتي نستدل عليها من خلال قراءة الترموميتر .
أما المادة الحمراء المترسبة في قعر الكأس فهي عبارة عن ذرات النحاس التي تكونت نتيجة اختزال كاتيونات النحاس الثنائية .
فكر العلماء في طريقة لتحويل الطاقة الحرارية الناتجة الى طاقة كهربائية ، وتوصلوا في النهاية إلى الحل الأمثل وهو : ـ
عن طريق فصل العامل المؤكسد عن العامل المختزل بحيث أن تحدث عمليتي الأكسدة والاختزال في مكانين مختلفين ومنفصلين تماماً ثم يسمح للإلكترونات بالانتقال عبر وسيلة خارجية ( موصل أو سلك معدني ) من مكان حدوث عملية الأكسدة إلى مكان حدوث عملية الإختزال وبذلك نحصل على تيار كهربائي مستمر .
مكونات الخلية الجلفانية .
لتحويل الطاقة الحرارية الناتجة من التفاعل السابق بين الخارصين وكبريتات النحاس إلى طاقة كهربائية يمكن تكوين خلية جلفانية مكونة من الآتي : ـ
* إناء بداخله صفيحة من الخارصين مغمورة جزئياً في محلول كبريتات الخارصين ( يمثل أحد نصفي الخلية ) .
* إناء بداخله صفيحة من النحاس مغمورة جزئياً في محلول كبريتات النحاس ( يمثل نصف الخلية الآخر ) .
* يتم توصيل الصفيحتين ( الخارصين والنحاس ) بواسطة أسلاك معدنية إلى فولتميتر عالي المقاومة .
* يوصل المحلولين بواسطة قنطرة ملحية وهي عبارة عن أنبوبة زجاجية على شكل حرف Ụ ولكن بشكل مقلوب وتحتوي على محلول الكتروليتي مركز من أي ملح مثل ( كلوريد الكالسيوم ، كبريتات الكالسيوم ، نترات الصوديوم ......الخ ) ومادة نفوذة ( أي قابلة للنفاذ ) من الهلام أو الآجار . تسمح القنطرة الملحية بانتقال الأيونات بين نصفي الخلية لكنها لا تسمح بالتماس المباشر بين العامل المؤكسد والعامل المختزل وهذه تعتبر أهم وظيفة بالنسبة للقنطرة الملحية .
صفيحة الخارصين تسمى قطب الخارصين وصفيحة النحاس تسمى قطب النحاس .
للتمييز بين قطبي الخلية ، فإن القطب الذي تحدث عنده عملية أكسدة يسمى ( المصعد أو الأنود ) والقطب الذي تحدث عنده عملية اختزال يسمى ( مهبط أو كاثود).
نشوء التيار الكهربائي في الخلايا الجلفانية : ـ
يمكن توضيح ما يحدث داخل الخلية الجلفانية كما هو موضح بالرسم : ـ
حركة مؤشر الفولتميتر تدل على أن الالكترونات سرت من قطب الخارصين إلى قطب النحاس ، كما أن قطب الخارصين تآكل تدريجياً وتراكمت مادة حمراء على قطب النحاس واللون الأزرق لكبريتات النحاس يخفت تدريجياً .
يمكن تفسير ذلك كالأتي : ـ
*** تلتصق كاتيونات النحاس الثنائية الموجودة في المحلول على قطب النحاس آخذة منه الكترون سالب ويكون هذا تفاعل اختزال .
إذن قطب النحاس يسمى مهبط .
*قطب النحاس أعطى الكترونات لكاتيونات النحاس الثنائية .
إذن قطب النحاس يحمل شحنة موجبة ( + ) .
* تترسب ذرات جديدة من النحاس على قطب النحاس إذن قطب النحاس كتلته تزيد . هذا المحلول به فائض من أيونات الكبريتات الثنائية السالبة . تتم معادلتها إما بدخولها إلى القنطرة الملحية أو خروج أيونات الكالسيوم الأحادية الموجبة من القنطرة إلى المحلول ( على اعتبار أن الالكتروليت الموجود في القنطرة هو كلوريد البوتاسيوم ) .
*** تذوب ذرات الخارصين المكونة للقطب في المحلول على هيئة أيونات خارصين ثنائية موجبة تاركة الكتروناتها على قطب الخارصين .
ويكون بذلك تفاعل أكسدة إذن قطب الخارصين يسمى مصعداً .
* تتراكم الالكترونات على قطب الخارصين إذن قطب الخارصين يحمل شحنة سالبة ( - ) .
* تذوب ذرات الخارصين على هيئة كاتيونات خارصين ثنائية موجبة إذن كتلة قطب الخارصين تقل .
* هذا المحلول به فائض من كاتيونات الخارصين الثنائية الموجبة . تتم معادلتها إما بدخولها إلى القنطرة الملحية أو خروج أيونات الكلوريد الأحادية السالبة من القنطرة إلى المحلول .
تنتقل الالكترونات المتحررة من قطب الخارصين الغني بالالكترونات إلى قطب النحاس الفقير للإلكترونات عبر السلك المعدني مروراً بالفولتميتر الذي يسجل قراءة معينة ( القراءة المثالية دائما هي = 1.1 فولت ) .
تمثل الخلية الجلفانية بالرمز الاصطلاحي التالي : ـ Zn / Zn // Cu / Cu
يكتب نصف تفاعل الأكسدة أولاً ( إلى اليسار ) ثم تمثل القنطرة الملحية بالخطين ( // ) ثم يكتب نصف تفاعل الاختزال ( إلى اليمين ) دون أن تكتب الالكترونات المفقودة أو المكتسبة .
تذكر جيداً : ـ
إذا كان عدد الالكترونات غير متساوي في نصفي التفاعل يجب مساواتهما عن طريق الضرب التبادلي ( كما في وزن المعادلات ) .
مثـــــــــــــــال : ـ
وضح ما يحدث في خلية جلفانية مكونة من قطب الألومنيوم مغمور في محلول نترات الألومنيوم وقطب نحاس مغمور في محلول نترات نحاس : لاحظ اتجاه سريان الالكترونات بالرسم ( الرسم موضح بالاسفل): ـ
بما أن الالكترونات تخرج من قطب الالومنيوم ( كما هو موضح بالرسم ) . ***
إذن هناك تفاعل أكسدة لقطب الألومنيوم ( قم بكتابة التفاعل ) .
إذن قطب الألومنيوم يسمى مصعد ( فسر ذلك ) .
تتراكم الالكترونات على قطب الالمنيوم .
إذن قطب الألومنيوم يحمل شحنة سالبة . تذوب ذرات الالومنيوم على هيئة كاتيونات الألمنيوم ثلاثية موجبة بالإضافة إلى 3 الكترونات سالبة الشحنة .
إذن كتلة قطب الألمنيوم تقل .
المحلول به فائض من كاتيونات الالومنيوم الثلاثية الموجبة تتم معادلتها إما بدخولها إلى القنطرة أو خروج أيونات النترات الأحادية السالبة من القنطرة إلى المحلول ( على اعتبار أن الالكتروليت الموجود بالقنطرة هو نترات البوتاسيوم ) .
***بما أن الالكترونات تأتي إلى قطب النحاس إذن يحدث نصف تفاعل اختزال .
إذن قطب النحاس يسمى مهبط ( لماذا ) .
قطب النحاس يفقد الكترونات إذن قطب النحاس يحمل شحنة موجبة .
تترسب ذرات جديدة من النحاس إذن كتلة قطب النحاس تزيد .
المحلول به فائض من الأيونات السالبة تتم معادلتها إما بدخولها إلى القنطرة أو خروج كاتيونات الكالسيوم الموجبة من القنطرة إلى المحلول .
الرمز الاصطلاحي للخلية هو: ـ Al / Al // Cu / Cu
تمرين : ـ
أ - ارسم الخلية الجلفانية المكونة من قطب المومنيوم قياسي وطب فضة قياسي
ب ـ أشرح ما يحدث في هذه الخلية من تفاعلات علماً بأن رمزها الاصطلاحي هو Al / Al // Ag / Ag
القوة الدافعة الكهربائية للخلية : ـ
ـ هي قوة تسبب حركة الالكترونات وانتقالها بين قطبي الخلية عبر السلك .
ـ وهي تمثل فرق الجهد بين قطبي الخلية نتيجة الفر في قابليتهما للأكسدة أو الاختزال ، كذلك تسمى بـ ( جهد الخلية ) .
ـ تقاس بجهاز يسمى ( الفولتميتر ) ، أو مقياس الجهد ( وهو أكثر دقة ) ووحدة قياسهما الفولت .ـ عندما يقاس جهد الخلية في الظروف القياسية يرمز لها بالرمز
الظروف القياسية هي : ـ
* الضغط ( ا جو 76 سم / زئبق أي 760 ملم / زئبق ) .
* درجة الحرارة ( 25 درجة س ) .
* التركيز ( 1 مول أيون / لتر ) .
قطب الهيدروجين القياسي : ـ
يتكون من : ـ
1ـ أنبوبة خارجية مغلقة من أعلى مفتوحة من أسفل وبها فتحة جانبية لإدخال غاز الهيدروجين .
2ـ أنبوبة داخلية ( داخل الأنبوبة الخارجية ) بها سلك نحاس ينتهي طرفه السفلي عند صفيحة بلاتين مسامي ( البلاتين له خاصية امتزاز غاز الهيدروجين ) فيمتلئ الفراغ بين الأنبوبتين بكمية كبيرة من غاز الهيدروجين ( أي يتكون عمود أو قطب من عنصر الهيدروجين ) .
3ـ كل ذلك مغمور في إناء يحتوي على حمض الهيدروكلوريك بتركيز 1 مول أيون / لتر \
اتفق على أن تكون قيمة جهد قطب الهيدروجين القياسي = صفر ( في الظروف القياسية ) .
يستخدم قطب الهيدروجين القياسي لقياس جهود أقطاب العناصر الأخرى ( وذلك لأن قيمة جهده معلومة = صفر ) . يمكن أن يكون مصعداً فيكون رمزه : ـ Pt / H2 / H
كما يمكن أن يكون مهبطاً فيكون رمزه : ـH / H 2 / Pt
جهد القطب القياسي : ـ
هو عبارة عن الفرق بين جهد قطب لمادة ما وجهد قطب الهيدروجين القياسي .
بما أن جهد قطب الهيدروجين معلوم ويساوي صفر، فإن فرق الجهد بين قطب الهيدروجين وقطب المادة هو نفسه جهد قطب المادة ذاتها . جهد قطب المادة يشار إليه بالرمز وفي الظروف القياسية يرمز له بالرمز .قياس جهد قطب الخارصين القياسي : ـ
يتم تكوين خلية جلفانية من قطب الهيدروجين قياسي وقطب خارصين قياسي .
من خلال التجربة يمكن بسهولة التعرف على إتجاه حركة الالكترونات وبالتالي معرفة القطب الذي حدث عنده نصف تفاعل الأكسدة والذي حدث عنده نصف تفاعل الاختزال . الرسم التالي يوضح كيفية قياس جهد قطب الخارصين القياسي .
أيونات الهيدروجين الموجبة لها ميل أكثر للاختزال .
إذن يحدث التفاعل التالي على قطب الهيدروجين : ـ2H + 2e H2
ـ نصف تفاعل اختزال .
إذن قطب الهيدروجين يسمى مهبط .
ـ ويحمل شحنة موجبة .
( فقير للإلكترونات ) |
ذرات الخارصين لها ميل أكثر للأكسدة
إذن يحدث نصف التفاعل التالي على قطب الخارصين .Zn Zn + 2e
ـ نصف تفاعل أكسدة .
إذن قطب الخارصين يسمى مصعدا .
ـ ويحمل شحنة سالبة .
( به فائض من الالكترونات ) |
تسري الالكترونات من قطب الخارصين الغني بالالكترونات إلى قطب الهيدروجين الفقير للإلكترونات عبر الفولتميتر الذي يسجل قراءة معينة وهي : ـ
( + 0.76 فولت في الظروف القياسية ) .
يمكن تلخيص أنصاف التفاعلات التي حدثت كالآتي : ـ
Zn Zn + 2e
2H + 2e H2
نجمع نصفي التفاعل للحصول على التفاعل الكلي ونجمع قيم Zn + 2H Zn + H2
+0.76 فولت هي حاصل جمع 0.0 + القيمة المجهولة لأكسدة الخارصين .
إذن جهد أكسدة الخارصين يساوي = 0.76+ فولت
الرمز الاصطلاحي لهذه الخلية هو : ـ Zn / Zn // H / H2/ Pt
قانون هام جداااااااا : ـ
جهد الأكسدة = جهد الاختزال والعكس صحيح
من هذا القانون نستنتج أن : ـ
بما أن جهد أكسدة الخارصين = 0.76+ فولت .
إذن جهد الاختزال = - 0.76 فولت .
تمرين : ـ
خلية جلفانية رمزها الاصطلاحي هو : ـ
Pt / H2 / H / Ag / Ag
وكانت قيمة لهذه الخلية = + 0.80 فولت .
أ) ارسم هذه الخلية مع كتابة البيانات كاملة .
ب) ضح ما يحدث فيها من تفاعلات بصورة منفصلة .
** استخدامات السلسلة الكهروكيميائية : ـ
لفهم استخدامات السلسلة الكهروكيميائية نستخدم فقط قيم جهود أكسدة المواد لشرح
النقاط التالية : ـ
1) معرفة جهد الاختزال القياسي لمادة ما بمعرفة جهد الأكسدة القياسي لها وذلك بعكس إشارة جهد الاختزال ( كما ذكرنا في القانون السابق ) .
2) معرفة قوة العوامل المؤكسدة وقوة العوامل المختزلة : ـ
أ ـ المادة الأعلى في جهد الأكسدة هي عامل مختزل قوي وكلما زادت قيمة جهد الأكسدة كانت المادة عامل مختزل قوي .
بما أن جهد أكسدة الكالسيوم = 2.87 + فولت وهو أكبر من جهد أكسدة الماغنسيوم والذي يساوي = 2.37 + فولت .
نستنتج من ذلك أن الكالسيوم عامل مختزل أقوى من الماغنسيوم وهكذا .
ب ـ المادة الأقل في جهد الأكسدة هي عامل مؤكسد قوي وكلما قلت قيمة جهد الأكسدة كانت المادة عامل مؤكسد أقوى .
بما أن قيمة جهد أكسدة الفلور = - 2.87 فولت وهو أقل من جهد أكسدة اليود والذي يساوي = - 0.54 فولت .
نستنتج من ذلك أن الفلور عامل مؤكسد أقوى من اليود وهكذا .
الهدف من هذا الموضوع هو كيف يحدث التيار الكهربائي تغييرات كيميائية
الصورة التالية تبين الفرق بين :
أ - الخلية الكهروكيميائية ( الخلية الجلفانية )
ب - خلية التحليل الكهربائي ( الخلية الاكتروليتية )
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
* الآن دعونا نتعرف مما تتكون الخلية الالكتروليتية
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
* الصورة التالي تبين التحليل الكهربائي لمصهور كلوريد الصوديوم
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
عند مرور التيار الكهربائي في مصهور كلوريد الصوديوم يتصاعد عند الأنود غاز لونه أصفر مخضر دلاله على تصاعد غاز الكلور وعند الكاثود يتكون سائل فضي لامع هو الصوديوم فعند صهر كلوريد الصوديوم بالحرارة تنفصل الأيونات وتصبح حرة الحركة
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
وهذه المعادلات توضح التفاعل
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
* الآن دعونا نتعرف على التحليل الكهربائي لمحلول مخفف من كلوريد الصوديوم
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
عند مرور التيار الكهربائي في محلول مخفف من كلوريد الصوديوم يتصاعد عند الأنود الأكسجين وعند يتصاعد الهيدروجين
وهذه المعادلات توضح التفاعل
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
الخلية الجلفانية وتسمى كذلك الخلية الكهروكيميائية أو الخلية الفولتية. وهي بطارية اخترعها العالم الإيطالي الأستاذ لويجي جلفاني أستاذ الطب في جامعة بولونيا واكتشفها مصادفة سنة 1786 أثناء تجاربه حول فعل الكهرباء على عضلات الضفادع حيث لاحظ ارتعاش الضفدع في إحدى تجاربه عندما لمس طرفاه معدنين مختلفين في دائرة كهربائية مكتملة، وظن عندها ان مصدر الكهرباء يرجع إلى كهرباء حيوانية إلى أن جاء أستاذ الفيزياء أليساندرو فولتا الذي عزى ظهور الكهرباء إلى أن المعدنين مختلفين،
واستطاع فولتا فيما بعد أن يصنع بطارية من هذا النوع وسميت هذه الخلايا باسم أول من اكتشف تلك الظاهرة وهو جلفاني
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]الخلية الجلفانية (خلية دانيال) ويلاحظ تجمع أكثر للإلكترونات على لوح الخارصين Zn عن لوح النحاس Cu
وشكرااااااااااااااا
لا تنسونا من خالص دعائكم
الثلاثاء فبراير 16, 2010 5:07 am