كيمياء – الكيمياء الكهربية للصف الثالث الثانوى 2016

كيمياء – الكيمياء الكهربية للصف الثالث الثانوى 2016

الكيمياءالكهربية

علم يهتم بدراسة التحول المتبادل بين الطاقة الكيميائية والطاقة الكهربية من خلال تفاعل أكسدة وإختزال .

تفاعلات الأكسدة والإختزال :

تفاعلات تنتقل فيها الإلكترونات من أحد المواد المتفاعلة إلى المادة الأخرى الداخلة معها فى التفاعل الكيميائى .

 س :إشرح نشاط يوضح أحد تفاعلات الأكسدة والإختزال .

جـ :نغمس لوح من الخارصين في محلول كبريتات النحاس الزرقاء

الملاحظة :

فلز النحاس الأحمر يبدأ يترسب على لوح الخارصين

فلز الخارصين يبدأ في الذوبان في المحلول

يقل لون كبريتات النحاس الأزرق إلى أن يختفي

التفسير :

ما حدث هو تفاعل أكسدة وإختزال تلقائى يعبر عنه بالمعادلات الآتية :

وجه المقارنة	عملية الأكسدة هى عملية فقد الذرة لإلكترون أو أكثر ينتج عنها زيادة فى الشحنة الموجبة	عملية الإختزال هى عملية إكتساب الذرة لإلكترون أو أكثر ينتج عنها نقص فى الشحنة الموجبة
معادلة التفاعل	-Zn      →        Zn2+ + 2e	Cu2+  +2e-    →         Cu
التفاعل الكلي	(Zn(s) + Cu2+(aq)       →          Zn2+(aq) + Cu(s

س: وضح ماذا يحدث عند غمس ساق من الخارصين فى محلول ملح كبريتات نحاس II

لقد نجح العلماء فى ترتيب نظام يعرف بالخلايا الجلفانية روعى فيها :

فصل مكونات نصفي الخلية مع إتصالهما عن طريق قنطرة ملحية

السماح للإلكترونات بالمرور في سلك بين نصفي الخلية وبذلك أمكن الحصول على تيار كهربي ناتج من تفاعل أكسدة وإختزال تلقائي.

الخلايا الكهروكيميائية :

هى أجهزة تستخدم فى تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة كيميائية أو العكس .

أنواع الخلايا الكهروكيميائية

	الخلايا الجلفانية ” خلية دانيال “	الخلايا الإلكتروليتية ” التحليلية “
تحويل الطاقة	تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية من خلال تفاعلات أكسدة وإختزال تلقائية أو خلايا كهربية يمكن الحصول منها على تيار كهربي نتيجة حدوث تفاعل أكسدة وإختزال تلقائي	تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة كيميائية من خلال تفاعلات أكسدة وإختزال غير تلقاية أو خلايا كهربية تستخدم فيها طاقة كهربية من مصدر خارجي لإحداث تفاعل أكسدة وإختزال غير تلقائي
الأنود (مصعد)	القطب السالب الذي تحدث عنده أكسدة	القطب الموجب الذي تحدث عنده أكسدة
الكاثود (مهبط)	القطب الموجب الذي تحدث عنده إختزال	القطب السالب الذي تحدث عنده إختزال
نوع الخلية	خلايا إنعكاسية أو غير إنعكاسية	خلايا غير إنعكاسية

أولاً: الخلايا الجلفانية

مكونات الخلايا الجلفانية

• الآنود (المصعد)

• الكاثود (المهبط)

• القنطرة الملحية

علل: الآنود هو القطب السالب في الخلية الجلفانية

جـ : لأنه تحدث عنده عملية أكسدة في كون مصدر للإلكترونات .

القنطرةالملحية

أنبوبة على شكل حرف (U) بهامحلولإلكتروليتى(كبريتاتالصوديوم Na₂SO₄) بحيث لا تتفاعل أيوناته مع أيونات محلولي نصفي الخلية ولا مواد الأقطاب.

أهميةالقنطرةالملحية

1. التوصيل بين محلولى نصفى الخلية بطريقة غير مباشرة .

2. تقوم بمعادلة الأيونات الموجبة والسالبة الزائدة التى تتكون فى محلولى نصف الخلية .

س: ماذا يحدث عند غياب القنطرة الملحية فى الخلية الجلفانية؟

جـ : يؤدى إلى توقف تفاعل الأكسدة والإختزال وبالتالى يتوقف مرور التيار الكهربى فى السلك الخارجى الموصل بين نصفى الخلية.

خلية دانيال (مثال تطبيقى للخلايا الجلفانية )

 

1. نصف خلية النحاس : وعاء زجاج به قطب نحاس مغموس فى محلول كبريتات النحاس ( إلكتروليت )

2. نصف خلية الخارصين : وعاء زجاج به قطب خارصين مغموس فى محلول كبريتات الخارصين ( إلكتروليت )

3. القنطرة الملحية : أنبوبة على شكل حرف (U) بها محلول إلكتروليتى (كبريتات الصوديوم Na₂SO₄)

 
تكبير الصورة معاينة الأبعاد الأصلية.

التشغيل والتفاعلات

يحدث تفاعل أكسدة لقطب الخارصين فى نصف خلية الخارصين .

تنتقل الإلكترونات عبر السلك إلى نصف خلية النحاس لتختزل أيونات النحاس .

نتيجة لإنتقال الإلكترونات من الخارصين إلى النحاس يتكون تيار كهربى وينحرف مؤشر الجلفانو متر .

بعدفترة يتآكل قطب الخارصين ( نتيجة لعملية الأكسدة ) وتتشبع خلية الخارصين بكاتيونات الخارصين (+Zn²)

وتنضب أيونات النحاس ( نتيجة لعملية الإختزال ) وتتشبع خلية النحاس بأنيونات الكبريتات (SO₄^{-2 )} فينقطع التيار

التفاعل الكلى:

تكبير الصورة معاينة الأبعاد الأصلية.

 

س: متى يتوقف مرور التيار الكهربي في خلية دانيال رغم وجود القنطرة الملحية ؟

جـ :يتوقف مرور التيار الكهربى عندما

1. يذوب كل فلز الخارصين فى نصف خلية الخارصين .

2. تنضب أيونات النحاس فى نصف خلية النحاس .

كتابة الرمز الإصطلاحي للخلية ( عملبة الإختزال // عملية الأكسدة)

حيث يمثل الخط الرأسى المزدوج ” // ” الحد الفاصل بين محلولى نصفى الخلية أى القنطرة الملحية

الرمز الإصطلاحي لخلية دانيال

• الخط الرأسي المفرد يمثل الحد الفاصل بين قطب العنصر والمحلول الإلكتروليتي لأيوناته

• الخط الرأسي المزدوج يمثل الحد الفاصل بين المحلولين في نصفي الخلية (القنطرة الملحية)

قطب الهيدروجين القياسي SHE

قطب قياسي ذو مجهود ثابت ومعلوم (يساوي صفر) يستخدم فى قياس جهود الأقطاب الأخرى

الاستخدام

قياس جهود الأقطاب الأخرى المجهولة بمعلومية جهده الذى يساوى صفراً.

 

التركيب

صفيحة من البلاتين (1سم²) مغطاه بطبقة إسفنجية من البلاتين الأسود يمرر عليها تيار من غاز الهيدروجين تحت  ضغط ثابت (1 ضغط جوى ) مغمورة فى محلول تركيزه 1 مولار (1mol/L) من أي حمض قوي

ملاحظة:

يتغير جهد (قطب الهيدروجين القياسي) عن الصفر بتغير تركيز أيون الهيدروجين في المحلول أو بتغيير الضغط الجزيئي للغاز أو كلاهما

يرمز لنصف خلية الهيدروجين القياسية الرمز الإصطلاحي:

        أنود     (Pt-H₂(1atm)/ 2H⁺ (1 mol/L

       كاثود   (2H⁺(1 mol/L)/Pt- H₂ (1atm

س :وضح كيف يمكنك إستخدام قطب الهيدروجين القياسى فى قياس قطب غير معلوم؟

1. نكون خلية جلفانية من قطبين أحداهما القطب المراد قياس جهده والثانى قطب الهيدروجين القياسى .

2. نقوم بقياس القوة الدافعة الكهربية للخلية ( جهدالخلية ) ومنها يمكن حساب جهد القطب غير المعلوم .

س : ماذا يحدث إذا تغير تركيز أيون الهيدروجين فى المحلول أو تغير الضغط الجزيئى للغاز؟

ج : يتغير جهد قطب الهيدروجين عن الصفر ولايصلح إستخدامه لقياس جهود أقطاب مجهولة .

علل : أحياناً تتغير قيمة جهد قطب الهيدروجين القياسى عن الصفر .

ج : بسبب تغير تركيز أيون الهيدروجين فى المحلول أو تغير الضغط الجزيئى للغاز أو تغير كلاهما .

سلسلة الجهود الكهربية

تمكن العلماء من قياس الجهود القطبية القياسية (E^o) لأنصاف الخلايا لجميع العناصر الفلزية واللافلزية مقاسة بالنسبة لجهد قطب الهيدروجين القياسي

إذا رتبت العناصر تنازلياً حسب جهود الإختزال السالبة وتصاعدياً حسب جهود الإختزال الموجبة.

نلاحظ أن :

أولاً : تقع أكبر القيم السالبة لجهود الإختزال فى أعلى السلسلة (عوامل مختزلة قوية)

      وأكبر القيم الموجبة لجهود الإختزال فى أسفل السلسلة (عوامل مؤكسدة قوية) .

ثانياً : العناصر التى تقع فى قمة السلسلة  (ذات جهود الإختزال السالبة ) تتميز بأنها :

1. الأكثر نشاطاً

2. عوامل مختزلة قوية لأنها تتأكسد وتفقد إلكتروناتها بسهولة عند تفاعلها مع أيونات العناصر التى تليها

3. تمثل الآنود فى الخلية الجلفانية إذا وصلت مع عناصر تقع تحتها فى السلسلة

ثالثاً : العناصر التى تقع فى نهاية السلسلة  ذات جهود الإختزال الموجبة تتميزبأنها :

1. الأقل نشاطاً

2. عوامل مؤكسدة قوية لأنها تختزل وتكتسب الإلكترونات بسهولة عند تفاعلها مع العناصر التى تسبقها

3. تمثل الكاثود فى الخلية الجلفانية إذا وصلت مع عناصر تقع أعلاها فى السلسلة

رابعاً : العناصر المتقدمة فى السلسلة تحل محل العناصر التى تليها فى محاليل أملاحها .

علل : الخارصين يحل محل النحاس فى محاليل أحد أملاحه بينما لا يحدث العكس .

جـ: لأن الخارصين يسبق النحاس فى سلسلة الجهود الكهربية للعناصر .

علل : لا تحفظ نترات الفضة فى أوانى من الحديد.

جـ: لأن الحديد يسبق الفضة فى سلسلة الجهود الكهربية فيحل محله ويتآكل الإناء .

خامساً : كلما زاد البعد فى الترتيب بين العنصرين كلما زادت قدرة العنصر المتقدم على طرد العنصر المتأخر من مركباته

علل :تزداد قدره عنصر الصوديوم على الإحلال محل هيدروجين حمض الهيدروكلوريك عن قدرة عنصر الألومنيوم .

جـ :لأن الصوديوم يسبق الألومنيوم فى سلسلة الجهود الكهربية وكلما زاد البعد فى الترتيب بين العنصرين كلما زادت قدرة العنصر المتقدم على الإحلال .

سادساً: جميع العناصر التى تقع فوق الهيدروجين فى سلسلة الجهود الكهربية تحل محل أيونات الهيدروجين فى المحاليل الحمضية ويتصاعد غاز الهيدروجين

سابعاً : جميع العناصر التى تلى الهيدروجين فى سلسلة الجهود الكهربية لا تحل محل أيونات الهيدروجين فى المحاليل الحمضية .

ملاحظات هامة جداً:

جهد الإختزال القياسي للفلز (E^o)= جهد الأكسدة القياسي (E^o) له ولكن بإشارة مخالفة.

مثال: جهد إختزال الخارصين = -0,76 فولت فيكون جهد أكسدته = 0,76 فولت

الأنود هو القطب الأعلى في جهد الأكسدة والأقل في جهد الإختزال

الكاثود هو القطب الأعلى في جهد الإختزال والأقل في جهد الأكسدة

مثال: إذا علمت أن جهد إختزال الخارصين -0,76 فولت وجهد إختزال النحاس 0,34 فولت فأيهما الآنود وأيهما الكاثود؟

جـ: الخارصين هو الآنود، النحاس هو الكاثود

• الآنود هو العامل المختزل ويحدث عنده عملية الأكسدة وهو العنصر الأكثر نشاطاً

• الكاثود هو العامل المؤكسد ويحدث عنده عملية الإختزال وهو العنصر الأقل نشاطاً

قوانين هامة

ق . د . ك (للخلية الكهرو كيميائية) = جهد تأكسد الآنود – جهد تأكسد الكاثود

= فرق جهدي الأكسدة (جهد تأكسد الآنود – جهد أكسدة الكاثود)

= فرق جهدي الإختزال (جهد إختزال الكاثود – جهد إختزال الآنود)

جهد أكسدة قطب الهيدروجين = جهد إختزاله = صفر .

إذا كانت قيمة ق.د.ك. للخلية موجبة يكون

1-              التفاعل تلقائي       2- ينتج تيار كهربي     3- الخلية جلفانية

 

إذا كانت قيمة ق.د.ك. للخلية سالبة يكون

1-              التفاعل غير تلقائي   2- لاينتج تيار كهربي   3- الخلية تحليلية

س علل : يمكن التعرف على نوع الخلية تحليلية أو جلفانية من قيمة القوة الدافعة الكهربية لها.

جـ : لأنه إذا كانت قيمة ق.د .ك :

1. موجبة كانت الخلية جلفانية لأنها تنتج تيار كهربياً .

2. سالبة كانت الخلية تحليلية تحتاج إلى مصدر خارجى للتيار الكهربى .

مثال (1) مايو 2000

عنصران (A) ، (B) جهدي تأكسدهما (0,4)، (-0,6) فولت على الترتيب وكل منهما ثنائي التكافؤ ما هو الرمز الإصطلاحي للخلية التي يمكن أن تتكون منهما؟ ثم إحسب القوة الدافعة الكهربية  لهذه الخلية وهل يصدر عنها تيار كهربي أم لا ؟ ولماذا؟

الحل:

الرمز الإصطلاحي:     A/A²⁺ // B²⁺/B

ق.د.ك = جهد تأكسد الآنود (A) – جهد تأكسد الكاثود (B)

        = 0,4 – (-0,6) = 1 فولت

ويصدر عن هذه الخلية تيار كهربى لأن قيمة  (ق.د.ك) موجبة فيكون التفاعل تلقائى.

س علل : لا يحدث هذا التفاعل تلقائياُ     Zn⁺² + Cu      →      Cu⁺² + Zn  علماً بأن جهود الأكسدة القياسية للخارصين و النحاس 0,76 ، – 0,34 فولت على الترتيب.

مثال(2)

اكتب الرمز الإصطلاحي لخلية جلفانية مكونة من Sn⁺²/Sn وقطب Ag⁺/Ag ثم إحسب ق.د.ك لها إذا علمت أن جهد الإختزال القياسي لك من القصدير والفضة على التوالي = – 0.14 فولت و 0,8 فولت على الترتيب

الحل:

القطب الأعلى فى جهد الإختزال هو الكاثود لذلك يكون الكاثود هو الفضة والآنودهوالقصدير .

تكبير الصورة معاينة الأبعاد الأصلية.

 ق.د.ك.   = فرق جهدي الإختزال (جهد إختزال الكاثود – جهد إختزال الآنود)

            = 0,8 – (- 0,14) =  0,8 + 0,14= 0,94 فولت

 

[url=http://cairodar.youm7.com/flashes/PDFfiles/chemistry arabic ch 4 l 1.pdf] لتحميل الدرس بصيغة PDF اضغط هنا..[/url]