ملخص وحدة الكيمياء الكهربائية كيمياء الصف الثاني عشر متقدم
تتكون القنطرة الملحية من أنبوب يحتوي على محلول ملح قابل وموصل للتيار الكهرباني. مثل KC1 .
يحفظ الملح في مكانه باستخدام هلام آجار (جل هلامي) أو أي غطاء يسمح للأيونات بالحركة من خلاله، على ألا يختلط المحلولان في الكأس.
س: ما أهمية القنطرة الملحية ؟
ج. 1- فصل نصفي الخلية عن بعضهما.
2- مرور التيار الكهربائي في دائرة مغلقة .
3. اعادة التوازن الأيوني في الخلية .
4- يمنع الشحنة من التجمع على القطبين .
عندما يتم وضع السلك النحاسي والقنطرة الملحية في مكانهما، تبدأ عملية الأكسدة والاختزال في الحدوث تلقائي وتنتقل الإلكترونات عبد السلك من نصف تفاعل الأكسدة إلى نصف تفاعل الاختزال، وتتحرك الأيونات الموجبة والسالبة عبر القنطرة الملحية
يطلق على تدفق الجسيمات المشحونة تيار كهربائي.
يشكل كل من تدفق الإلكترونات عبر السلك وتدفق الأيونات عبر القنطرة الملحية التيار الكهرباني .
يمكن استخدام طاقة الإلكترونات المتدفقة عبر السلك لإضاءة مصباح كما في الشكل.
الخلايا الكهروكيميائية
هي جهاز يستخدم تفاعل الأكسدة والاختزال لإنتاج الطاقة الكهربائية او يستخدم الطاقة الكهربائية لإحداث تفاعل كيميائي
الخلية الفولتية: نوع من أنواع الخلايا الكهروكيميائية تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية من خلال تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي.
سمیت الخلية الفولتية بهذا الاسم نسبة إلى العالم (أليساندرو فولتا).
يشبه الشكل المقابل إحدى الخلايا الأولى لأليساندرو فولتا، والتي تتكون من أقراص من الخارصين والنحاس مرتبة في طبقات متبادلة يفصلها قطع من القماش أو ورق مقوی مغطس في محلول حمضي، يزداد التيار بزيادة عدد أقراص الخارصين والنحاس.
كيمياء الخلايا الفولتية
- تتكون الخلية الكهروكيميائية من جزأين يطلق عليهما نصفا خلية، حيث يحدث كل من تفاعلات الأكسدة والاختزال
على حدة. - يحتوي كل نصف خلية على قطب ومحلول يحتوي على أيونات.
- القطب الإلكترود): هو مادة موصلة للكهرباء
- عادة ما يكون القطب شريطا فلزيا أو ساق من الجرافيت والذي يوصل الإلكترونات من محلول نصف الخلية وإليه.
- الكأس الذي يحتوي على قطب الخارصين يحدث فيه نصف تفاعل الأكسدة.
- الكأس الذي يحتوي على قطب النحاس يحدث فيه نصف تفاعل الاختزال.
- يسمى التفاعل الذي يحدث في كل نصف خلية تفاعل نصف الخلية.
- الأنود (المصعد): (القطب الذي يحدث عنده تفاعل الأكسدة. .
- الكاثود (المهبط): القطب الذي يحدث عنده تفاعل الاختزال.
الخلايا الفولتية والطاقة
- الطاقة الكامنة (طاقة الوضع) للقطب ترجع إلى وضعه أو تكوينه.
- تعتبر الطاقة الكهربائية الكامنة - في الكيمياء الكهربائية - مقياس لمقدار التيار الذي يمكن توليده من الخلية
الفولتية للقيام بالشغل . - يمكن للشحنة الكهربائية الانتقال بين نقطتين فقط عندما عندما يكون هناك اختلاف في الطاقة الكهربائية
الكامنة بينهما - النقطتان التي تنتقل بينهما الشحنة في الخلية الكهروكيميائية مهما القطبان .
- تتحرك الإلكترونات التي يتم توليدها عند الأنود نحو الكائود بواسطة القوة الدافعة الكهربائية (EMF) .
- تنشأ EMF عن الفرق في الطاقة الكامنة بين القطبين وتسمى جهد الخليقي ووحدة قياسيه هو فولت .
- فرق الجهد الكهربائي للخلية الفولتية يعتبر مؤشرا للطاقة المتوفرة لتحريك الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود.
- تتحرك الإلكترونات عبر السلك الخارجي من الأنود إلى الكاثود (يمكن الاستدلال عن طريق مصباح أو جلفانومتر).
- تتحرك الأيونات الموجبة عبر القنطرة الملحية ( من نصف خلية الأنود نحو نصف خلية الكاثود . تتحرك الأيونات السالبة عبر القنطرة الملحية ( من نصف خلية الكاثود نحو نصف خلية الأنود ).
س: ماذا ينتج عن الخلية الفولتية؟
ج: 1- كتلة قطب الأنود تقل
2- كتلة قطب الكاثود تزيد
3- تركيز أيون محلول الأنود يزيد
4- تركيز أيون محلول الكاثود يقل
- قطار الملاهي يملك طاقة وضع جذبية PE عند أعلى نقطة وتتحول إلى طاقة حركية KE عند أدنى نقطة.
- يتم تحديد الطاقة الحركية بحساب الفرق في الارتفاع بين قمة المسار والقاع .
- بالمثل، يتم تحديد طاقة الإلكترونات المتدفقة من الأنود إلى الكاثود في الخلية الفولتية من خلال فرق الطاقة الكامنة الكهربائية بين القطبين.
- يتم تحديد جهد الخلية بمقارنة الفرق بين ميل كلا القطبين لاكتساب الإلكترونات، كلما زاد فرق الطاقة الكامنة بين القطبين زاد جهد الخلية.
- تسحب قوة الجاذبية الغواص في الماء دانم على الأسفل، نحو وضع منخفض من الطاقة وليس إلى الأعلى.
- عندما يقفز الغواص خارج لوح الغوص تكون حركية الى الأقل بصورة تلقائية .
- في خلية الخارصين - النحاس وتحت الظروف القياسية تكتسح ايونات النحاس عند الكاثود إلكترونات بسهولة أكبر مقارنة بأيونات الخارصين عند الأنود.
- يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال تلقائيا فقط عند تدفق الإلكترونات من المحارصين إلى النحاس.
حساب جهود الخلايا الكهروكيميائية
- جهد الاختزال: ميل المادة لاكتساب إلكترونات.
- لا يمكن تحديد إمكانية الاختزال للقطب الكهرباني مباشرة، لأن يجب اقتران تفاعل الاختزال النصفي مع تفاعل الأكسدة النصفي.
- عند اقتران نصفي التفاعل مع بعضهما فإن الجهد الناتج يساوي فرق الجهد لنصفي التفاعل.
- يتم التعبير عن فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين بالفولت v
قطب الهيدروجين القياسي
يتكون قطب الهيدروجين القياسي من لوح صغير من البلاتين المغمور في محلول حمض الهيدروكلوريك HCI الذي يحتوي على أيونات
الهيدروجين بتركيز 1M
يتم ضخ غاز الهيدروجين ,H في المحلول عند الظروف القياسية latm, set كما في الشكل
جهد اختزاله القياسي لقطب الهيدروجين القياسي يساوي صفر .
يعمل قطب الهيدروجين القياسي ک (تفاعل أكسدة نصفي) أو تفاعل اخترال نصفي تبعا للخلية النصفية المتصلة به
جهود أنصاف الخلايا
- لتحديد جهد اختزال العناصر تم توصيلها بشكل أنصاف خلايا مع نصف خلية الهيدروجين القياسية .
- تم تسجيل التفاعلات النصفية كتفاعلات اخترال
- نصف الخلية الذي له قابلية أكبر من الهيدروجين للاختزال يحدث له اختزال ويكون له جهد اختزال موجب، وكلما زادت قابلية الاختزال زادت قيمة جهد الاختزال
- نصف التفاعل الذي له جهد اختزال موجب أكبر يحدث في صورة اختزال.
- نصف الخلية الذي له قابلية أقل من الهيدروجين للاختزال يحدث اله أكيدة ويكون له جهد اختزال سالب، وكلما قلت قابلية الاختزال قلت قيمة جهد الاختزال .
- نصف التفاعل الذي له جهد اختزال سالب أكبر يحدث في صورة أكسدة
- القطب الذي جهد اختزاله أعلى هو الكاثود، والقطب الذي جهد اختزاله أقل هو القطب الكهربائي الذي يتم قياسه تحت الظروف القياسية latm, 25°C وأن يكون مغموسا في محلول تركيزه IM من الأيونات.
- يدل الرمز "E على أن القياس تحت الظروف القياسية .
- جهد الأكسدة = جهد الاختزال (مع عكس الإشارة)
قياس جهد الخلية الكهروكيميائية .
يمكن استخدام جدول جهود الاختزال القياسية لحساب الجهد الكهرباني للخلية الفولتية المكونة من قطبي النحاس والخارصين تحت الظروف القياسية
يتم تحديد جهد الاختزال القياسي للخلية النصفية للنحاس Ecu عند توصيل قطب النحاس بقطب الهيدروجين القياسي كما في الشكل، تتدفق الإلكترونات من قطب الهيدروجين إلى قطب النحاس، وتختزل أيونات النحاس إلى ذرات النحاس.
قيمة E التي يتم قياسها بالفولتميتر (V
0.342+) تشير إلى أن ايونات Cu2 في قطب النحاس تكتسب الإلكترونات بسهولة أكبر من أيونات H في قطب الهيدروجين القياسي. .
تحدث عملية أكسدة عند قطب الهيدروجين، وعملية الاختزال عند قطب النحاس .
أيونات النحاس لديها جهد اختزال أكبر من أيونات الهيدروجين.
جهد اختزال الهيدروجين صفر، فيكون جهد اختزال النحاس له قيمة موجبة .
تتمثل التفاعلات النصفية لعمليتي الأكسدة والاختزال والتفاعل الكلي كما يلي: