المناهج الدراسية
تسجيل الدخول

المناهج الدراسية

الكيمياء

الباب الأول - العناصر الانتقالية

0/51

الباب الثاني - التحليل الكيميائي

0/35

الباب الثالث - الاتزان الكيميائي

0/34

الباب الرابع - الكيمياء الكهربية

0/44

الباب الخامس - الكيمياء العضوية

0/89

دروس إضافية

0/166
نص الدرس

الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية

الكيمياء

الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية

مقدمة

مقدمة

  • فهم العلاقة بين الطاقة الكيميائية والكهربية وتفسير ما يحدث في الخلية الجلفانية ودور القنطرة الملحية.
  • معرفة قياس جهود الأقطاب بقطب الهيدروجين القياسي وقراءة متسلسلة الجهود الكهربية.
  • حساب القوة الدافعة الكهربية للخلية الجلفانية.

🌳 شجرة المفاهيم

الدرس الأولالخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية
├── مدخلالكيمياء الكهربية وتفاعلات الأكسدة والاختزال

│ ├── تجربة الخارصين في محلول كبريتات النحاس

│ ├── نصفا التفاعل

│ └── فكرة الخلية الكهربية

├── الخلايا الجلفانية←خلية دانيال

│ ├── التعريف

│ ├── تركيب الخلية

│ ├── أسماء الأقطاب

│ ├── التفاعلات الحادثة

│ ├── توقف الخلية

│ └── طريقة كتابة الخلية

├── القنطرة الملحية وأهميتها

│ ├── التركيب

│ └── الوظائف

├── قياس جهود الأقطاب وقطب الهيدروجين القياسي

│ ├── مشكلة القياس

│ └── قطب الهيدروجين القياسي (SHE)

├── سلسلة الجهود الكهربية للعناصر

│ ├── التعريف

│ ├── الجدول (للاطلاع)

│ └── ما نستنتجه من المتسلسلة

└── القوة الدافعة الكهربية للخلية الجلفانية

  • ├── كيف تحسب؟

├── القوانين

└── أمثلة محلولة

الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 1 / 11
مدخل: الكيمياء الكهربية وتفاعلات الأكسدة والاختزال

مدخل: الكيمياء الكهربية وتفاعلات الأكسدة والاختزال

خلية دانيال والقنطرة الملحية
خلية دانيال والقنطرة الملحية

🧊 مجسم ثلاثي الأبعاد لخلية دانيال الجلفانية والقنطرة الملحية وسريان الإلكترونات

  • شكل 1 خلية دانيال والقنطرة الملحية
  • تُظهر الصورة خلية دانيال الجلفانية، حيث تنتقل الإلكترونات من قطب الزنك إلى قطب النحاس عبر السلك الخارجي، بينما تُغلق القنطرة الملحية الدائرة بانتقال الأيونات.
  • ويحدث الأكسدة عند الأنود والاختزال عند الكاثود، وتُكتب الخلية بالرمز Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu.

D Scientific Model

  • شكل 2 مجسم ثلاثي الأبعاد لخلية دانيال الجلفانية والقنطرة الملحية وسريان الإلكترونات
  • نموذج ثلاثي الأبعاد لخلية دانيال يوضح موقع القنطرة الملحية ومسار سريان الإلكترونات من الزنك إلى النحاس عبر الدائرة الخارجية.
  • ويساعد النموذج على تخيّل توزيع الأقطاب والمحاليل داخل الخلية الجلفانية واتجاه التيار الاصطلاحي.
  • مجسم ثلاثي الأبعاد دقيق لخلية دانيال قطب الخارصين (المصعد/الأنود السلبي) في كبريتات الخارصين، قطب النحاس (المهبط/الكاثود الموجب) في كبريتات النحاس، والقنطرة الملحية المسامية بمحلول Na2SO4 لمعادلة الشحنات ومنع استقطاب الخلية، مع سريان الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية.
مجسم ثلاثي الأبعاد لخلية دانيال الجلفانية والقنطرة الملحية وسريان الإلكترونات
مجسم ثلاثي الأبعاد لخلية دانيال الجلفانية والقنطرة الملحية وسريان الإلكترونات
  • الطاقة الكهربية أهم صور الطاقة وأكثرها صداقة للبيئة.
  • الكيمياء الكهربية تدرس التحول المتبادل بين الطاقة الكيميائية والطاقة الكهربية من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال، وهي تفاعلات تنتقل فيها الإلكترونات من إحدى المواد المتفاعلة إلى الأخرى.

تجربة الخارصين في محلول كبريتات النحاس

  • تغمس صفيحة من الخارصين في محلول كبريتات النحاس II الأزرق.
  • يلاحظ ترسب فلز النحاس على سطح صفيحة الخارصين بينما يبدأ الخارصين في الذوبان في المحلول.
  • باستمرار التجربة وقتًا طويلًا يقل اللون الأزرق للمحلول وربما أصبح عديم اللون، ويزداد ذوبان الخارصين.
نصفا التفاعل
تفاعل أكسدةZn(s) → Zn2+(aq) + 2e−
  • تفقد كل ذرة خارصين إلكترونين وتتحول إلى أيون خارصين يترك السطح ويذوب في المحلول.
تفاعل اختزالCu2+(aq) + 2e− → Cu(s)
  • يكتسب كل أيون نحاس إلكترونين قادمين من نصف تفاعل الخارصين ويترسب فلز النحاس.
التفاعل الكليZn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

فكرة الخلية الكهربية

  • نجح العلماء في ترتيب نظام يسمى الخلية الجلفانية تفصل فيه مكونات نصفي التفاعل مع اتصالهما بقنطرة ملحية، وتمر الإلكترونات في سلك بين النصفين.
  • بذلك يمكن الحصول على تيار كهربي من تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي.
  • يوجد نوع آخر هو الخلايا الإلكتروليتية (خلايا التحليل الكهربي): تستخدم فيها طاقة كهربية من مصدر خارجي (بطارية) لإحداث تفاعلات أكسدة واختزال غير تلقائية.
شكل 3: إحلال الزنك محل النحاس تبيّن الصورة إحلال الزنك محل أيونات النحاس في المحلول، وهو تفاعل أكسدة واختزال تلقائي لأن الزنك أنشط من النحاس. فيفقد الزنك إلكتروناته ويترسب النحاس على هيئة ذرات، وهذا هو الأساس الذي تقوم عليه الخلايا الجلفانية.
شكل 3: إحلال الزنك محل النحاس تبيّن الصورة إحلال الزنك محل أيونات النحاس في المحلول، وهو تفاعل أكسدة واختزال تلقائي لأن الزنك أنشط من النحاس. فيفقد الزنك إلكتروناته ويترسب النحاس على هيئة ذرات، وهذا هو الأساس الذي تقوم عليه الخلايا الجلفانية.
شكل 3←إحلال الزنك محل النحاس تبيّن الصورة إحلال الزنك محل أيونات النحاس في المحلول، وهو تفاعل أكسدة واختزال تلقائي لأن الزنك أنشط من النحاس. فيفقد الزنك إلكتروناته ويترسب النحاس على هيئة ذرات، وهذا هو الأساس الذي تقوم عليه الخلايا الجلفانية.: مدخل: الكيمياء الكهربية وتفاعلات الأكسدة والاختزال
الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 2 / 11
الخلايا الجلفانية: خلية دانيال

الخلايا الجلفانية: خلية دانيال

التعريف

  • الخلية الجلفانية نوع من الخلايا الكهربية يمكن الحصول منها على تيار كهربي نتيجة حدوث تفاعل أكسدة واختزال تلقائي.
  • من أمثلتها خلية دانيال.
  • لوح من النحاس (قطب النحاس) وآخر من الخارصين (قطب الخارصين)، كل منهما مغمور في محلول أحد أملاحه (محلول 1 M) في إناءين منفصلين.
  • يوصل بين المحلولين قنطرة ملحية.
  • كل إناء بما فيه يسمى نصف خلية.
  1. المهبط (الكاثود) وهو القطب الموجب.
  2. المصعد (الأنود) وهو القطب السالب.
  3. المحلول في كل نصف خلية يسمى الإلكتروليت.
  4. عند توصيل القطبين بسلك معدني موصل يمر تيار كهربي.
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
عند الأنود (أكسدة)Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e−
عند الكاثود (اختزال)Cu2+(aq) + 2e− → Cu(s)
التفاعل الكليZn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
•الأكسدة تحدث دائمًا عند الأنود والاختزال دائمًا عند الكاثود في الخلايا الكهربية بأنواعهاالأكسدةتحدثدائمالأنود
  1. يتوقف مرور التيار بين نصفي الخلية عندما يذوب كل فلز الخارصين في نصف خلية الخارصين
  2. أو تنضب أيونات النحاس بسبب ترسبها على هيئة ذرات نحاس.
شكل 4: مقارنة الخلية الجلفانية دانيال وخلية الطلاء بالتحليل الكهربي تقارن الصورة بين الخلية الجلفانية التي تنتج تيارًا كهربيًا من تفاعل تلقائي، وخلية الطلاء بالتحليل الكهربي التي تستخدم مصدرًا خارجيًا لترسيب طبقة فلزية. وتوضح اتجاه حركة الإلكترونات وموقعي الأنود والكاثود في كل خلية.
شكل 4: مقارنة الخلية الجلفانية دانيال وخلية الطلاء بالتحليل الكهربي تقارن الصورة بين الخلية الجلفانية التي تنتج تيارًا كهربيًا من تفاعل تلقائي، وخلية الطلاء بالتحليل الكهربي التي تستخدم مصدرًا خارجيًا لترسيب طبقة فلزية. وتوضح اتجاه حركة الإلكترونات وموقعي الأنود والكاثود في كل خلية.
تُكتب الخلية بالرمز←Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu يُكتب الأنود (الأكسدة) إلى اليسار والكاثود (الاختزال) إلى اليمين، ويرمز الخطان المزدوجان إلى القنطرة الملحية.
الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 3 / 11
القنطرة الملحية وأهميتها

القنطرة الملحية وأهميتها

التركيب

  • القنطرة الملحية أنبوبة زجاجية على هيئة حرف U مملوءة بمحلول إلكتروليتي (مثل كبريتات الصوديوم Na₂SO₄).
  • أيوناتها لا تتفاعل مع أيونات محلولي نصفي الخلية ولا مع مواد الأقطاب.
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
التوصيلبين محلولي نصفي الخلية بطريقة غير مباشرةمحلولينصفيالخليةبطريقة
معادلةالأيونات الموجبة والسالبة الزائدة التي تتكون في المحلولين نتيجة تفاعل الأكسدة في نصف خلية الخارصين وتفاعل الاختزال في نصف خلية النحاسالأيوناتالموجبةوالسالبةالزائدة
•
  • غياب القنطرة الملحية يؤدي إلى توقف تفاعل الأكسدة والاختزال
  • وبالتالي يتوقف مرور التيار الكهربي في السلك الخارجي الموصل بين نصفي الخلية
غيابالقنطرةالملحيةيؤدي
الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 4 / 11
قياس جهود الأقطاب وقطب الهيدروجين القياسي

قياس جهود الأقطاب وقطب الهيدروجين القياسي

شكل 5: قطب الهيدروجين القياسي — قياس جهود الأقطاب وقطب الهيدروجين القياسي يوضح الشكل قطب الهيدروجين القياسي الذي اتُّفق على جعل جهده صفرًا في الظروف القياسية، ليكون مرجعًا لقياس جهود الأقطاب الأخرى. وتُقاس جهود الأقطاب المجهولة بتكوين خلية جلفانية معه، ثم قياس القوة الدافعة الكهربية للخلية الناتجة.
شكل 5: قطب الهيدروجين القياسي — قياس جهود الأقطاب وقطب الهيدروجين القياسي يوضح الشكل قطب الهيدروجين القياسي الذي اتُّفق على جعل جهده صفرًا في الظروف القياسية، ليكون مرجعًا لقياس جهود الأقطاب الأخرى. وتُقاس جهود الأقطاب المجهولة بتكوين خلية جلفانية معه، ثم قياس القوة الدافعة الكهربية للخلية الناتجة.

مشكلة القياس

  • لا توجد طريقة مؤكدة ومباشرة لقياس الفرق المطلق في الجهد الكهربي بين قطب فلز ومحلول أيوناته.
  • لكن الفرق بين جهدي قطبي الخلية الجلفانية يمكن قياسه بسهولة.
  • الحل تكوين خلية جلفانية من قطبين، أحدهما القطب المراد قياس جهده والآخر قطب قياسي ذو جهد ثابت ومعلوم.
  • نقيس القوة الدافعة الكهربية للخلية (جهد الخلية) ومنها يحسب جهد القطب المجهول.

قطب الهيدروجين القياسي (SHE)

  • اتفق العلماء على استخدام قطب الهيدروجين القياسي قطبًا قياسيًا، وجهده يساوي صفرًا.
  • يتكون من صفيحة من البلاتين (مساحتها 1 cm2) مغطاة بطبقة إسفنجية من البلاتين الأسود.
  • يمرر عليها تيار من غاز الهيدروجين تحت ضغط ثابت مقداره واحد ضغط جوي (1 atm).
  • تغمر في محلول من حمض قوي يكون تركيز أيونات الهيدروجين فيه 1 mol/L.
  • يتغير جهد هذا القطب عن الصفر بتغير تركيز أيون الهيدروجين في المحلول أو بتغير الضغط الجزئي للغاز أو كليهما.
الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 5 / 11
سلسلة الجهود الكهربية للعناصر

سلسلة الجهود الكهربية للعناصر

التعريف

سلسلة الجهود الكهربية←ترتيب العناصر ترتيبًا تنازليًا حسب جهود الأكسدة القياسية لها، أو ترتيبًا تصاعديًا حسب جهود الاختزال القياسية لها، بالنسبة لجهد قطب الهيدروجين القياسي (صفر).
نصف التفاعل (أكسدة) جهد الأكسدة القياسي (V) جهد الاختزال القياسي (V)
Li → Li+ + e− +3.045 −3.045
K → K+ + e− +2.924 −2.924
Na → Na+ + e− +2.711 −2.711
Mg → Mg2+ + 2e− +2.375 −2.375
Al → Al3+ + 3e− +1.670 −1.670
Mn → Mn2+ + 2e− +1.029 −1.029
Zn → Zn2+ + 2e− +0.762 −0.762
Cr → Cr3+ + 3e− +0.740 −0.740
Cr → Cr2+ + 2e− +0.557 −0.557
Cr2+ → Cr3+ + e− +0.410 −0.410
Fe → Fe2+ + 2e− +0.409 −0.409
Cd → Cd2+ + 2e− +0.402 −0.402
Co → Co2+ + 2e− +0.280 −0.280
Ni → Ni2+ + 2e− +0.230 −0.230
Pb → Pb2+ + 2e− +0.126 −0.126
H₂ → 2H+ + 2e− صفر صفر
Sn2+ → Sn4+ + 2e− −0.150 +0.150
Cu → Cu2+ + 2e− −0.340 +0.340
4OH− → 2H₂O + O₂ + 4e− −0.401 +0.401
Ag → Ag+ + e− −0.800 +0.800
Pt → Pt2+ + 2e− −1.200 +1.200
Au → Au3+ + 3e− −1.420 +1.420
2F− → F₂ + 2e− −2.87 +2.87

ما نستنتجه من المتسلسلة

  • جهد الأكسدة لقطب = جهد الاختزال لنفس القطب بإشارة مخالفة.
  • الترتيب التنازلي لجهود الأكسدة هو ترتيب تصاعدي لجهود الاختزال.
  • العناصر المتقدمة في المتسلسلة (جهود تأكسدها كبيرة) عوامل مختزلة.
  • العناصر المتأخرة في المتسلسلة (جهود اختزالها كبيرة) عوامل مؤكسدة.
  • الترتيب التنازلي حسب جهود الأكسدة هو ترتيب تنازلي حسب النشاط الكيميائي.
  • العناصر المتقدمة في المتسلسلة تصلح كأنود بالنسبة للعناصر التي تليها.
  • العناصر المتقدمة في المتسلسلة تحل محل العناصر التي تليها في محاليل أملاحها.
  • العناصر التي تسبق الهيدروجين في المتسلسلة تحل محله في كل من الماء والأحماض:
    • Fe(s) + 2HCl(aq) → FeCl₂(aq) + H₂(g) (يحدث أكسدة للحديد واختزال لأيون الهيدروجين)
الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 6 / 11
القوة الدافعة الكهربية للخلية الجلفانية

القوة الدافعة الكهربية للخلية الجلفانية

كيف تحسب؟

  • يمكن حساب القوة الدافعة الكهربية (emf أو E°cell) لأي خلية جلفانية باستخدام جهد الاختزال أو جهد الأكسدة لنصفي الخلية أو كليهما، بحيث يكون لجهد الخلية الجلفانية قيمة موجبة دائمًا.

القوانين

  1. E°cell = جهد اختزال الكاثود − جهد اختزال الأنود
  2. E°cell = جهد أكسدة الأنود − جهد أكسدة الكاثود
  3. E°cell = جهد أكسدة الأنود + جهد اختزال الكاثود
في خلية دانيال←جهد الاختزال القياسي لنصف خلية النحاس = +0.34 V، وجهد الاختزال القياسي لنصف خلية الخارصين = −0.76 V. E°cell = 0.34 – (-0.76) = 1.1 V أو: E°cell = 0.76 – (-0.34) = 1.1 V (بجهود الأكسدة) أو: E°cell = 0.76 + 0.34 = 1.1 V (مجموع جهدي الأكسدة والاختزال) أمثلة محلولة ✍️ أمثلة محلولة مثال 1: احسب القوة الدافعة لخلية جلفانية من الخارصين والفضة. الحل: الخارصين يسبق الفضة في المتسلسلة فهو الأنود (يتأكسد): جهد أكسدته = +0.762 V الفضة هي الكاثود (يحدث عندها الاختزال): جهد اختزالها = +0.800 V التفاعل: Zn(s) + 2Ag+(aq) → Zn2+(aq) + 2Ag(s) E°cell = 0.762 + 0.800 = 1.562 V مثال 2: هل يتفاعل الحديد مع محلول كبريتات النحاس II؟ احسب emf الخلية المكونة منهما. الحل: الحديد (جهد أكسدته +0.409 V) يسبق النحاس (جهد اختزاله +0.340 V) في المتسلسلة، فهو يحل محله. التفاعل: Fe(s) + Cu2+(aq) → Fe2+(aq) + Cu(s) E°cell = 0.409 + 0.340 = 0.749 V (موجبة فالتفاعل تلقائي) مثال 3: هل يمكن حفظ محلول كبريتات النحاس II في وعاء من الألومنيوم؟ الحل: جهد أكسدة Al = +1.670 V ، وجهد اختزال Cu2+ = +0.340 V E°cell = 1.670 + 0.340 = 2.010 V (موجبة) التفاعل تلقائي: 2Al(s) + 3Cu2+(aq) → 2Al3+(aq) + 3Cu(s) لذلك لا يصلح الوعاء لأن الألومنيوم يتآكل ويترسب النحاس.
  • .egp-ex{margin:18px 0;border:1px solid rgba(79,63,224,.2);border-radius:16px;overflow:hidden;background:#fff}.egp-ex-h{padding:10px 16px;font-weight:800;background:linear-gradient(90deg,#4f3fe0,#22c1c3);color:#fff}.egp-ex-tabs{display:flex;flex-wrap:wrap;gap:6px;padding:10px 12px;background:#f7f6ff}.egp-ex-b{border:1px solid rgba(79,63,224,.3);background:#fff;border-radius:20px;padding:5px 14px;font-weight:700;cursor:pointer}.egp-ex-b.on{background:#4f3fe0;color:#fff}.egp-ex-p{padding:12px 16px}function egpEx(b,k){var w=b.closest(‘.egp-ex’);w.querySelectorAll(‘.egp-ex-b’).forEach(function(x,i){x.classList.toggle(‘on’,i===k)});w.querySelectorAll(‘.egp-ex-p’).forEach(function(x,i){x.hidden=i!==k})}
الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 7 / 11
الشرح الموسوعي المعتمد والمصطلحات الكاملة (كتب الوزارة + الامتحان + المعاصر + الوسام)

الشرح الموسوعي المعتمد والمصطلحات الكاملة (كتب الوزارة + الامتحان + المعاصر + الوسام)

  • 📖
الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 8 / 11
📌 قاموس المصطلحات والمفاهيم العلمية الدقيقة:

📌 قاموس المصطلحات والمفاهيم العلمية الدقيقة:

  • الخلية الجلفانية (Galvanic Cell):
  • خلية كهروكيميائية تتحول فيها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية من خلال تفاعل أكسدة واختزال تلقائي الحدوث وتكون قيمة القوة الدافعة الكهربية (E_cell) لها موجبة.
  • القنطرة الملحية (Salt Bridge):
  • أنبوبة زجاجية على شكل حرف U تملأ بمحلول إلكتروليتي لا يتفاعل مع محاليل نصفي الخلية (مثل كبريتات الصوديوم Na2SO4)، وتقوم بالتوصيل بين نصفي الخلية بطريقة غير مباشرة ومعادلة الشحنات الموجبة والسالبة الزائدة لمنع توقف التيار.
  • قطب الهيدروجين القياسي (SHE):
  • قطب يتكون من صفيحة بلاتين مغطاة بطبقة بلاتين أسود إسفنجي يمرر عليها غاز H2 تحت ضغط 1 atm في محلول حمض تركيز H+ فيه 1 M، وجهده القياسي المعياري اصطلح على أنه يساوي صفراً تماماً عند 25°C.
  • الغطاء الأنودي (Anodic Protection):
  • تغطية الفلز (مثل الحديد) بفلز آخر أكثر منه نشاطاً وأعلى منه في جهد التأكسد (مثل الخارصين – الجلفنة)، فعند حدوث خدش يتآكل الفلز المغطي أولاً (يعمل كأنود) بينما يظل الحديد سليماً (يعمل ككاثود).
  • الفاراداي (Faraday:
  • F) كمية الكهربية اللازمة لترسيب أو تصعيد كتلة مكافئة جرامية واحدة من أي مادة عند أحد الأقطاب، وتساوي بالضبط 96500 كولوم.
  • الكتلة المكافئة الجرامية (Equivalent Weight):
  • كتلة المادة التي تفقد أو تكتسب مولاً واحداً من الإلكترونات أثناء التفاعل الكيميائي، وتحسب بقسمة الكتلة المولية الذرية على التكافؤ (عدد التأكسد).
الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 9 / 11
⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة:

⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة:

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةمثالكلمات مفتاحية
حساب القوة الدافعة الكهربية للخلية (EMF)
  • [ الصيغة الفيزيائية والرياضية: E_cell = E_ox(Anode) + E_red(Cathode) = E_ox(Anode) – E_ox(Cathode) ] إذا كانت E_cell موجبة فالتفاعل تلقائي وتنتج تياراً
  • وإذا كانت سالبة فالخلية إلكتروليتية تستهلك تياراً
—الصيغةالفيزيائيةوالرياضيةcell
القانون العام للتحليل الكهربي لفاراداي
  • [ الصيغة الفيزيائية والرياضية: Mass (g) = (I × t × Equivalent Weight) / 96500 ]
  • I شدة التيار بالأمبير
  • t الزمن بالثواني
  • و 96500 كمية الكهربية بالفاراداي
—الصيغةالفيزيائيةوالرياضيةMass
قانون تحرير مول من الذرات أو الغازات ثنائية الذرة[ الصيغة الفيزيائية والرياضية: Electricity = Valence × F (للمول ذرة) | Electricity = 2 × Valence × F (للمول جزيء غاز
  • Cl2
  • H2) ] لتحرير مول واحد من غاز الأكسجين O2 نحتاج 4 فاراداي (2 × 2 F)
الصيغةالفيزيائيةوالرياضيةElectricity
الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 10 / 11
🔍 الشرح والتحليل المستفيض وتفسيرات علل والاستنتاجات:

🔍 الشرح والتحليل المستفيض وتفسيرات علل والاستنتاجات:

  • ★ كتاب الشرح والتفصيل العلمي الشامل المعتمد 2026 / 2027 ★
  • كتاب الشرح المفصل الخلايا الجلفانية وقطب الهيدروجين والبطاريات والتحليل الكهربي
  • الصف الثالث الثانوي | الباب الرابع – الكيمياء الكهربية | المنهج المصري الحديث 2026/2027
  • 🎯 أهداف التعلم ومخرجات الفهم الوزارية المقررة 2026/2027:
  • • المقارنة الجوهرية بين الخلايا الجلفانية (المنتجة للتيار) والخلايا الإلكتروليتية (المستهلكة للتيار).
  • • شرح تركيب وعمل خلية دانيال ودور القنطرة الملحية في الحفاظ على الاتزان الكهربي وتدفق التيار.
  • • تركيب قطب الهيدروجين القياسي (SHE) واستخدامه في قياس جهود الأقطاب الأخرى وترتيبها في متسلسلة الجهود الكهربية.
  • • دراسة البطاريات الأولية (الزئبق وخلايا الوقود) والثانوية (الرصاص الحامضية وبطارية أيون الليثيوم) ومعادلات الشحن والتفريغ.
  • • تفسير ميكانيكية تآكل وصدأ الحديد وطرق حمايته بالغطاء الأنودي والغطاء الكاثودي والقطب المضحي.
  • • تطبيق قوانين فاراداي للتحليل الكهربي وحساب كتلة المادة المترسبة وحجم الغازات المتصاعدة وعدد الفاراداي.

1. الخلية الجلفانية، خلية دانيال، وسلسلة الجهود الكهربية

  • تتكون خلية دانيال النموذجية من نصف خلية خارصين (لوح Zn مغمور في محلول ZnSO4) ويمثل الأنود (المصعد: قطب سالب تحدث عنده الأكسدة: Zn -> Zn2+ + 2e-)، ونصف خلية نحاس (لوح Cu مغمور في محلول CuSO4) ويمثل الكاثود (المهبط: قطب موجب تحدث عنده عملية الاختزال: Cu2+ + 2e- -> Cu).
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
•
  • تسري الإلكترونات في السلك الخارجي من قطب الخارصين (الأنود) إلى قطب النحاس (الكاثود)
  • بينما تتحرك الأنيونات السالبة (SO4 2-) عبر القنطرة الملحية في اتجاه نصف خلية الخارصين لمعادلة الشحنات الموجبة المتراكمة (Zn2+)
تسريالإلكتروناتالسلكالخارجي
والرمز الاصطلاحي لخلية دانيال هوZn(s) | Zn2+(1M) || Cu2+(1M) | Cu(s) وقيمة E_cell القياسية لها تساوي +1.10 Vوقيمةcellالقياسيةتساوي
يتوقف مرور التيار الكهربي في خلية دانيال في حالتين
  • (1) ذوبان كامل لوح الخارصين أو نضوب كاتيونات النحاس من محلول الكاثود
  • (2) رفع القنطرة الملحية من نصفي الخلية لتراكم الشحنات الكهربائية وتوقف تيار الأيونات
ذوبانكاملالخارصيننضوب
  • متسلسلة الجهود الكهربية ترتيب تصاعدي لجهود الاختزال القياسية (أو تنازلي لجهود التأكسد).
  • العناصر في قمة السلسلة (مثل الليثيوم والبوتاسيوم والصوديوم) لها أعلى جهود تأكسد موجبة، وتعتبر عوامل مختزلة قوية تفقد إلكتروناتها بسهولة وتحل محل الهيدروجين في الماء والأحماض.
  • والعناصر في أسفل السلسلة (مثل الفلور والذهب والنحاس) لها أعلى جهود اختزال وتعتبر عوامل مؤكسدة قوية.

2. خلية الوقود (Fuel Cell): تزود مركبات الفضاء بالكهرباء ومياه الشرب. يدخل غاز الهيدروجين كوقود عند الأنود وغاز الأكسجين عند الكاثود في وعاء مبطن بطبقة كربون مسامي مع إلكتروليت مائي ساخن من هيدروكسيد البوتاسيوم. التفاعل الكلي: 2H2 + O2 -> 2H2O، وتعطي جهداً قدره 1.23 V، ولا تستهلك مكوناتها لأنها تزود بالوقود والغازات باستمرار من مصدر خارجي.

ثانياً: الخلايا الثانوية (قابلة لإعادة الشحن بالتيار المستمر):

1. بطارية الرصاص الحامضية (المركم الرصاصي – مركم السيارة): الأنود شبكة من الرصاص مملوءة برصاص إسفنجي Pb، والكاثود شبكة مملوءة بثاني أكسيد الرصاص PbO2، والإلكتروليت حمض كبريتيك مخفف H2SO4. أثناء التفريغ يتحول كلا القطبين إلى كبريتات الرصاص الثنائي PbSO4 ويتكون الماء فيقل تركيز الحمض وتقل كثافته التي تقاس بالهيدروميتر (كثافة الشحن الكامل 1.28-1.30 g/cm3). تعطي البطارية 12 V (6 خلايا كل خلية 2.05 V). وعند الشحن توصل بمصدر كهربي خارجي مستمر جهده أعلى قليلاً فتنعكس التفاعلات عند الأقطاب.

3. ميكانيكية صدأ وتآكل المعادن وقوانين فاراداي للتحليل الكهربي

صدأ وتآكل الحديد عملية كهروكيميائية تلقائية ومدمرة←عند حدوث خدش في الحديد المتصل بشوائب من الكربون أو فلزات أقل نشاطاً، تتكون خلايا جلفانية موضعية دقيقة؛ حيث يعمل الحديد الأنقى كأنود ويتأكسد: Fe -> Fe2+ + 2e-، وتنتقل الإلكترونات عبر الحديد إلى شوائب الكربون (الكاثود) حيث يختزل أكسجين الهواء الجوي الذائب في قطرات الماء: O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-.
  • تتحد أيونات Fe2+ مع OH- لتعطي هيدروكسيد الحديد الثنائي Fe(OH)2 الأبيض المخضر، والذي يتأكسد سريعاً بالأكسجين الذائب إلى هيدروكسيد الحديد الثلاثي Fe(OH)3 البني المحمر (وهو الصدأ الصيغة المتهدرتة Fe2O3.xH2O).
  • طرق الحماية من الصدأ (1) الحماية الكاثودية باستخدام القطب المضحي (Sacrificial Anode): يوصل هيكل السفينة أو مواسير البترول المدفونة تحت الأرض بكتل من المغنسيوم أو الخارصين الأكثر نشاطاً فيتآكل المغنسيوم أولاً مضحياً بنفسه لحماية الحديد.
  • (2) الحماية الأنودية (مثل جلفنة الحديد بالخارصين).
  • (3) الحماية الكاثودية بالطلاء بالقصدير (مثل علب المأكولات المحفوظة)، وعيبها القاتل أنه عند حدوث أي خدش يصدأ الحديد بسرعة مضاعفة لأن القصدير كاثود والحديد أنود نشط.
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
قوانين فاراداي للتحليل الكهربيالقانون الأول: تتناسب كتلة المادة المترسبة أو المتصاعدة عند أي قطب طردياً مع كمية الكهربية المارة في المحلولالقانونالأولتتناسبكتلة
القانون الثانيتتناسب كتل المواد المختلفة المترسبة بنفس كمية الكهربية طردياً مع كتلتها المكافئة الجراميةتتناسبالموادالمختلفةالمترسبة
جدول
  • مقارنة شاملة بين البطاريات الأربع المقررة (الزئبق
  • الوقود
  • الرصاص
  • أيون الليثيوم)
مقارنةشاملةالبطارياتالأربع
•✏️ أمثلة ومسائل وتطبيقات محلولة بالخطوات النموذجية والبرهان العلميأمثلةومسائلوتطبيقاتمحلولة
  • ★ مسألة حساب كمية الكهربية وترسيب الفلزات بقوانين فاراداي
    المعطيات والمطلوب: أمر تيار كهربي شدته 10 أمبير لمدة نصف ساعة (30 دقيقة) في محلول كلوريد النحاس الثنائي CuCl2.
  • احسب (1) كمية الكهربية بالكولوم وبالفاراداي، (2) كتلة النحاس المترسبة على الكاثود، (3) حجم غاز الكلور Cl2 المتصاعد عند الأنود في م.ض.د (STP).
  • (الكتل الذرية Cu = 63.5, Cl = 35.5).
  • خطوات الحل والبرهان الفيزيائي [1] أولاً: تحويل الزمن للثواني: t = 30 × 60 = 1800 ثانية.
  • [2] كمية الكهربية بالكولوم Q = I × t = 10 A × 1800 s = 18,000 كولوم.
  • [3] كمية الكهربية بالفاراداي = 18000 / 96500 ≈ 0.1865 F.
  • [4] ثانياً حساب الكتلة المكافئة الجرامية للنحاس (تكافؤ ثنائي): الكتلة المكافئة = 63.5 / 2 = 31.75 g.
  • [5] كتلة النحاس المترسبة = (Q بالكولوم × الكتلة المكافئة) / 96500 = (18000 × 31.75) / 96500 ≈ 5.922 g.
  • [6] ثالثاً حساب حجم غاز الكلور المتصاعد عند الأنود: التفاعل: 2Cl- -> Cl2 + 2e- (التكافؤ 2).
  • [7] لتحرير 1 مول من غاز الكلور Cl2 (حجمه 22.4 L في STP) يلزم كمية كهربية = 2 × 1 F = 2 × 96500 كولوم = 193,000 كولوم.
  • [8] حجم الكلور المتصاعد = (18000 × 22.4) / 193000 ≈ 2.089 لتر.
  • 💡 فنية وتريك للحل السريع وتجنب الخطأ تريك امتحاني حاسم: لتحرير مول من جزيئات الغاز ثنائية الذرة (O2, Cl2, H2, N2) نضرب التكافؤ في 2 في الفاراداي!
  • ★ حساب EMF وتحديد اتجاه التيار وتلقائية التفاعل
    المعطيات والمطلوب: خلية جلفانية مكونة من قطب ألومنيوم مغمور في محلول Al3+ وقطب فضة مغمور في محلول Ag+.
  • إذا علمت أن جهد التأكسد القياسي للألومنيوم = +1.66 V، وجهد التأكسد القياسي للفضة = -0.80 V.
  • احسب EMF للخلية، واكتب الرمز الاصطلاحي، وحدد أي القطبين تزداد كتلته.
  • خطوات الحل والبرهان الفيزيائي [1] أولاً: تحديد الأنود والكاثود: قطب الألومنيوم له جهد تأكسد أعلى (+1.66 V > -0.80 V)، إذاً الألومنيوم هو الأنود (المصعد السالب تحدث له أكسدة)، والفضة هو الكاثود (المهبط الموجب تحدث له اختزال).
  • [2] ثانياً حساب جهد اختزال الفضة = – (جهد التأكسد) = – (-0.80) = +0.80 V.
  • [3] القوة الدافعة للخلية EMF = جهد تأكسد الأنود + جهد اختزال الكاثود = 1.66 V + 0.80 V = +2.46 V.
  • [4] بما أن EMF موجبة، فإن التفاعل يحدث تلقائياً وتعمل الخلية كخلية جلفانية منتجة للتيار.
  • [5] ثالثاً الرمز الاصطلاحي: الألومنيوم ثلاثي والفضة أحادي، فنزن الشحنات بضرب الفضة في 3: Al(s) | Al3+(1M) || 3Ag+(1M) | 3Ag(s).
  • [6] رابعاً القطب الذي تزداد كتلته هو الكاثود (لوح الفضة Ag) بسبب ترسب ذرات الفضة الناتجة عن اختزال أيونات الفضة Ag+ عليه، بينما تقل كتلة لوح الألومنيوم بسبب ذوبانه وتأكسده لأيونات.
  • 💡 فنية وتريك للحل السريع وتجنب الخطأ قاعدة ذهبية: الأنود تذوب صفيحته وتقل كتلته وتزيد أيوناته في المحلول، بينما الكاثود يترسب عليه الفلز فتزيد كتلته وتقل أيوناته في المحلول!
البطارية نوع الخلية مادة الأنود (المصعد -) مادة الكاثود (المهبط +) الإلكتروليت المستخدم القوة الدافعة الكهربية EMF
خلية الزئبق أولية (غير قابلة للشحن) الخارصين Zn (مملغم) أكسيد الزئبق HgO مع جرافيت هيدروكسيد البوتاسيوم KOH 1.35 V
خلية الوقود أولية (مستمرة الإمداد) غاز الهيدروجين H2 المضغوط غاز الأكسجين O2 المضغوط محلول KOH مائي ساخن 1.23 V
بطارية الرصاص (المركم) ثانوية (قابلة لإعادة الشحن) الرصاص الإسفنجي Pb ثاني أكسيد الرصاص PbO2 حمض الكبريتيك المخفف H2SO4 2.05 V للخلية (12 V للإجمالي)
بطارية أيون الليثيوم ثانوية حديثة جافة جرافيت الليثيوم LiC6 أكسيد الليثيوم كوبالت LiCoO2 سداسي فلوروفوسفيد الليثيوم LiPF6 3.00 V

💡 💡 كبسولة الفنيات وتريكات الامتحانات والأسئلة الوزارية 2026/2027:

  • جهد قطب الهيدروجين القياسي SHE يساوي صفراً فقط عندما يكون ضغط الغاز 1 atm وتركيز أيون الهيدرونيوم 1 M وعند 25°C، ويتغير إذا تغير أي من هذين الشرطين.
  • في بطارية الرصاص الحامضية، أثناء التفريغ تقل كثافة الحمض لتكون الماء وكبريتات الرصاص الثنائية، وأثناء الشحن تزداد كثافة الحمض وتتحول كبريتات الرصاص إلى رصاص عند الأنود وثاني أكسيد الرصاص عند الكاثود.
  • بطارية أيون الليثيوم تتميز بأعلى جهد كهربي (3 V) مع أقل وزن لأن الليثيوم أصغر كتلة مولية فلزية وأعلى جهد تأكسد (+3.04 V).
  • الغطاء الأنودي أفضل بكثير وأكثر أماناً من الغطاء الكاثودي، لأنه في الغطاء الأنودي يتآكل الفلز الواقي أولاً ويستغرق وقتاً طويلاً قبل أن يمس الصدأ الفلز الأصلي.
  • 1 فاراداي يرسب كتلة مكافئة جرامية واحدة من أي عنصر (مكافئ = كتلة ذرية / تكافؤ).
الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية · 11 / 11