الدرس الأول: الخلايا الجلفانية ومتسلسلة الجهود الكهربية

• 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 أكسدة: Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
  • تفقد كل ذرة خارصين إلكترونين وتتحول إلى أيون خارصين يترك السطح ويذوب في المحلول.
• تفاعل اختزال: Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)
  • يكتسب كل أيون نحاس إلكترونين قادمين من نصف تفاعل الخارصين ويترسب فلز النحاس.
• التفاعل الكلي: Zn(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.

التعريف

• الخلية الجلفانية: نوع من الخلايا الكهربية يمكن الحصول منها على تيار كهربي نتيجة حدوث تفاعل أكسدة واختزال تلقائي.
• من أمثلتها خلية دانيال.

تركيب الخلية

• 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.

أسماء الأقطاب

• لوح النحاس: المهبط (الكاثود) وهو القطب الموجب.
• لوح الخارصين: المصعد (الأنود) وهو القطب السالب.
• المحلول في كل نصف خلية يسمى الإلكتروليت.
• عند توصيل القطبين بسلك معدني موصل يمر تيار كهربي.

التفاعلات الحادثة

• عند الأنود (أكسدة): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
• عند الكاثود (اختزال): Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)
• التفاعل الكلي: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)
• الأكسدة تحدث دائمًا عند الأنود والاختزال دائمًا عند الكاثود في الخلايا الكهربية بأنواعها.

توقف الخلية

• يتوقف مرور التيار بين نصفي الخلية عندما يذوب كل فلز الخارصين في نصف خلية الخارصين، أو تنضب أيونات النحاس بسبب ترسبها على هيئة ذرات نحاس.

طريقة كتابة الخلية

• تُكتب الخلية بالرمز: Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu
  • يُكتب الأنود (الأكسدة) إلى اليسار والكاثود (الاختزال) إلى اليمين، ويرمز الخطان المزدوجان إلى القنطرة الملحية.

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.

الوظائف

• التوصيل بين محلولي نصفي الخلية بطريقة غير مباشرة.
• معادلة الأيونات الموجبة والسالبة الزائدة التي تتكون في المحلولين نتيجة تفاعل الأكسدة في نصف خلية الخارصين وتفاعل الاختزال في نصف خلية النحاس.
• غياب القنطرة الملحية يؤدي إلى توقف تفاعل الأكسدة والاختزال، وبالتالي يتوقف مرور التيار الكهربي في السلك الخارجي الموصل بين نصفي الخلية.

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 \(1 \,\text{mol}/L\).
• يتغير جهد هذا القطب عن الصفر بتغير تركيز أيون الهيدروجين في المحلول أو بتغير الضغط الجزئي للغاز أو كليهما.

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).

الجدول (للاطلاع)

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)

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

E°cell = جهد اختزال الكاثود − جهد اختزال الأنود E°cell = جهد أكسدة الأنود − جهد أكسدة الكاثود 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.
  • \[\begin{gathered}E{}^{\circ}\,\text{cell} = 0.34 - (-0.76) = 1.1 V\end{gathered}\]
  • أو: \[\begin{gathered}E{}^{\circ}\,\text{cell} = 0.76 - (-0.34) = 1.1 V\end{gathered}\] (بجهود الأكسدة)
  • أو: \[\begin{gathered}E{}^{\circ}\,\text{cell} = 0.76 + 0.34 = 1.1 V\end{gathered}\] (مجموع جهدي الأكسدة والاختزال)

  أمثلة محلولة

  ✍️ أمثلة محلولة

  مثال 1

  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)
  • \[\begin{gathered}E{}^{\circ}\,\text{cell} = 0.762 + 0.800 = 1.562 V\end{gathered}\]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)
  • \[\begin{gathered}E{}^{\circ}\,\text{cell} = 0.409 + 0.340 = 0.749 V\end{gathered}\] (موجبة فالتفاعل تلقائي) مثال 3: هل يمكن حفظ محلول كبريتات النحاس II في وعاء من الألومنيوم؟ الحل:
  • جهد أكسدة \[\begin{gathered}\,\text{Al} = +1.670 V\end{gathered}\]، وجهد اختزال \[\begin{gathered}\,\text{Cu}^{2+} = +0.340 V\end{gathered}\]
  • \[\begin{gathered}E{}^{\circ}\,\text{cell} = 1.670 + 0.340 = 2.010 V\end{gathered}\] (موجبة)
  • التفاعل تلقائي: 2Al(s) + 3Cu²⁺(aq) → 2Al³⁺(aq) + 3Cu(s)
  • لذلك لا يصلح الوعاء لأن الألومنيوم يتآكل ويترسب النحاس.