الـخلايا الـكهـروكـيـمـيائية

 ( الـخــلايــــــــــــــــــــــا الـكـهــروكـيـمـيــائــــــــــــــــــــيـــــــــة )

الخلايا الغلفانية ::هي خلايا تحدث فيها تفاعلات تأكسد واختزال تلقائي لإنتاج طاقه كهربائية ، ومن التطبيقات العملية للخلايا     الغلفانية البطاريات بأنواعها المختلفة والتي تنتج طاقة كهربائية من تفاعل تأكسد واختزال .

 ومن أمثلة التفاعلات الكيميائية على الخلايا الغلفانية : 

 التفاعل في وعاء واحد ( كما في الشكل المجاور ) حيث يلاحظ عند غمس صفيحة خارصين

Zn   في وعاء يحتوي على محلول كبريتات النحاس CuSO₄    تكون طبقه سوداء (ترسب

 ذرات نحاس نتيجة اختزال Cu ⁺²  ) على صفيحة Zn  ، ( تفاعل تلقائي ) :

                تأكسد Zn  Zn _(S)                Zn²⁺_(aq) +2ē             

                اختزال  Cu²⁺ Cu⁺²_(aq) + 2ē                  Cu _(S)             

  التفاعل الكلي : Zn _(S)  + Cu ²⁺_(aq)                Zn ²⁺_(aq) + Cu _(S)              

  مثال:   مما تتكون الخلية الغلفانية ؟ 

مثال ذلك خلية غلفانية مكونة من قطبي (Zn / Cu ) في وعائين منفصلين ( للحصول على

طاقة كهربائية ) حيث يلاحظ من أحد الشكلين أدناه أن الخلية الغلفانية مكونة من :

أ.وعائين منفصلين: كل وعاء يحتوي على قطب فلزي مغموس في محلول كهرلي يحتوي

 على نفس نوع أيونات الفلز .

ب‌.  أسلاك توصيل (موصل خارجي ) تسمح للإلكترونات بالانتقال بين القطبين .

جـ- قنطره ملحية : وهي عبارة عن أنبوب زجاجي على شكل حرف U يحتوي على محلول مشبع لأحد الأملاح مثل          KNO₃ أو KCl حيث تعمل القنطرة الملحية على ( يمكن استبدال القنطرة الملحية بحاجز مسامي )   :

1. إكمال الدارة الكهربائية عن طريق انتقال الأيونات في المحاليل دون اختلاطها 2. موازنة الشحنات الكهربائية في المحاليل

   د- فولتميتر : يستخدم لقياس جهد الخلية .

    

 مثال:  من خلال الخلية الغلفانية في الشكل أعلاه وبعد إغلاق الخلية الغلفانية ، وُجد أن معادلة التفاعل الكلي للخلية هي :       

Zn _(S)   +   Cu²⁺_(aq)                   Zn ²⁺ _(aq)   +   Cu _(S)

1.    اكتب معادلة أنصاف التفاعل عند كل قطب .

نصف تفاعل  التأكسد / المصعد    Zn _(S)                  Zn²⁺_(aq) + 2ē            

         نصف تفاعل  الاختزال / المهبط    Cu⁺²_(aq) + 2ē                  Cu _(S)             

     2. حدد المصعد والمهبط في الخلية ، وشحنة كل منهما .

    المصعد هو قطب الخارصين (Zn ) وشحنته سالبة ، أما المهبط فهو قطب النحاس (Cu ) وشحنته موجبة .

3. ماذا يحدث لكتلة كل من النحاس والخارصين بعد فترة من الزمن ؟

     تزداد كتلة النحاس ( المهبط) ، وتقل كتلة الخارصين ( المصعد) .

     4. ماذا يحدث لتركيز كل من الأيونات Zn²⁺ و Cu²⁺ وتركيز^-   SO₄²(في نصف خلية النحاس ) ؟

          يزداد تركيز كل من الأيونات Zn²⁺ و ^-   SO₄²، ويقل تركيز Cu²⁺ .

5.    ما اتجاه حركة الإلكترونات عبر الدارة الخارجية ( الأسلاك ) ؟

تتحرك الإلكترونات من قطب الخارصين ( المصعد) إلى قطب النحاس ( المهبط) .

ملاحظات :

1. تكون دائما حركة الإلكترونات عبر الدارة الخارجية (عبر الأسلاك ) من قطب المصعد إلى قطب المهبط ، وتكون عكس حركة الأيونات السالبة في القنطرة الملحية .

2. في الخلايا الغلفانية يحدث التأكسد على المصعد (شحنته سالبة) فيزداد تركيز الأيونات في نصف خلية المصعد وتقل كتلة المصعد ، أما الاختزال فيحدث على المهبط (شحنته موجبة) فيقل تركيز الأيونات في نصف خلية المهبط وتزداد كتلة  المهبط

3.  حركة الأيونات السالبة عبر القنطرة الملحية تكون إلى نصف وعاء خلية المصعد لمعادلة الزيادة في  الشحنات الموجبة ،                                                  أما  الايونات الموجبة فتتجه إلى نصف وعاء خلية المهبط لمعادلة الزيادة في الشحنات السالبة .

   مثال :   إذا علمت أن التفاعل الآتي يحدث بصورة تلقائية  :

     Sn _(S)  + 2Ag ⁺ _(aq)                 Sn ²⁺_(aq)  +  2Ag _(S)                                 

1.    أكتب أنصاف التفاعلات عند كل قطب.                          2.حدد الأقطاب وما شحنة كل قطب .

3. حدد اتجاه حركة الإلكترونات عبر الدارة الخارجية .          4. ماذا يحدث لتركيز Sn ²⁺ بعد فترة من الزمن .

5. ما اتجاه حركة الأيونات السالبة عبر القنطرة الملحية .         6. ماذا تتوقع أن يحدث لكتلة كل من قطبي Ag / Sn.

الحل :

     1. نصف تفاعل  التأكسد / المصعد    Sn _(S)                  Sn ²⁺_(aq) + 2ē            

         نصف تفاعل  الاختزال / المهبط    Ag ⁺ _(aq) + 2ē                  Ag _(S)             

2. المصعد هو قطب (Sn ) وشحنته سالبة ، أما المهبط فهو قطب (Ag ) وشحنته موجبة .

     3. تتحرك الإلكترونات من قطب Sn( المصعد) إلى قطب Ag ( المهبط) .

4.يزداد تركيز Sn ²⁺ .

5. تتحرك الأيونات السالبة عبر القنطرة الملحية إلى نصف خلية القصدير ( Sn ) .

6. تزداد كتلة  Ag( المهبط) ، وتقل كتلة  Sn ( المصعد) .

  جهد الخلية الغلفانية :

 ينتج التيار الكهربائي في الخلية الغلفانية نتيجة دفع الإلكترونات للتحرك من القطب السالب( المصعد)  إلى القطب الموجب

( المهبط) عبر الأسلاك ، والقوة التي تدفع الإلكترونات تسمى القوة الدافعة الكهربائية للخلية وهي أكبر فرق لقيمة الجهد الكهربائي بين القطبين في الخلية الغلفانية وتقاس بوحدة الفولت (v) .

ويعتبر جهد الخلية الغلفانية (E ) مقياساً للقوة الدافعة للتفاعل فيها وهو يتأثر بعدة عوامل لذلك يقاس في ظروف معيارية وهي :

أ‌.        تركيز الأيونات (1مول / لتر )        ب. درجة الحرارة (25 سْ )         جـ. ضغط الغاز إن وجد (1ض . ج )

ويرمز لجهد الخلية المعياري بالرمز(  ْE ) ويقاس بوحدة الفولت ، وعليه يمكن إيجاد جهد القطب للخلية :

ْEخلية   = ْE تأكسد (مصعد) + ْ Eاختزال (مهبط)

أن ميل نصف تفاعل التأكسد للحدوث في قطب معين هوعكس ميل نصف تفاعل الاختزال للقطب نفسه، لذا فإن جهد الاختزال

( E^o اختزال)  لنفس القطب تساوي جهد التأكسد (E^o تأكسد) ولكن تعاكسها في الإشارة لذلك  يمكن تمثيل جهد الخلية كالآتي :

ْEخلية =  ْ Eاختزال (مهبط) – ْ Eاختزال (مصعد)

  مثال :    في التفاعل الآتي :            Fe _(S)  +  Cu ²⁺_(aq)                   Fe ²⁺ _(aq)   +   Cu _(S)

  احسب جهد الخلية المعياري ( ْE )علما بأن جهد الاختزال المعياري لقطب النحاس (0.34 V) والحديد( -0.44V ) .

   من المعادلة أعلاه نلاحظ تأكسد ذرات ) Fe المصعد ) واختزال أيونات Cu ²⁺ ( المهبط)

                ْE_خلية  =  ْ Eاختزال مهبط –  ْ E اختزال مصعد

                       = 0.34- (-0.44) = 0.78 V

  أو :         ْE_خلية =  ْ Eتأكسد (مصعد )  +  ْ Eاختزال (مهبط)

                     = 0.44 + 0.34 = 0.78 V

 مثال :     في التفاعل الآتي Cd _(S)   +  Ni ²⁺ _(aq)                   Cd ²⁺ _(aq) +  Ni _(S)            

   إذا علمت أن جهد الخلية  ْE _cd = -0.40 V    و جهد الخلية  ْE _Ni =  - 0.25 V  احسب  ْE للخلية

                ْE_خلية  =  ْ Eاختزال مهبط –  ْ E اختزال مصعد

                       = - 0.25- (-0.40) = 0.15 V

 قطب الهيدروجين المعياري :

تم استخدام قطب الهيدروجين كقطب مرجعي لاستخدامه مع قطب آخر لتكوين خلية غلفانية وحساب جهد القطب الآخر بعد قياس جهد الخلية , ويعود اختيار قطب الهيدروجين كقطب معياري لموقعه الوسط بين العناصر في نشاطه الكيميائي مما يسهل استخدامه كمصعد أو مهبط اعتمادا على طبيعة القطب الآخر في الخلية .

ويمثل التفاعل الذي يحدث في القطب المعياري للهيدروجين بالمعادلة الآتية :

ْE = صفر   H_{2 (g)}                    2H ⁺_(aq)  + 2ē 

 مثال : مم يتكون قطب الهيدروجين المعياري ؟

يتكون من قطب بلاتين مغموس في محلول حمضي يحتوي

 أيونات H⁺ بتركيز (1مول / لتر) وتحت ضغط (1. ض. جـ )

من غاز الهيدروجين ، حيث تعمل قطعة  البلاتين على توفير

 مساحة سطح كبيرة لحدوث التفاعل ، وكما في الشكل المجاور :

                                                   

                                                                     

 (  ْ E) لعنصر باستخدام قطب الهيدروجين المعياري :

 مثال :  الشكل المجاور يمثل خلية غلفانية قطباها من الخارصين

0.76 v

         والهيدروجين ، ادرس الشكل ثم أجب عما يلي :

   1.  حدد المصعد والمهبط في الخلية .

المصعد هو قطب (Zn ) ، والمهبط قطب (H₂ ).

   2. أكتب معادلات أنصاف التفاعل عند كل قطب .

 )  Zn _(S)                  Zn²⁺_(aq) + 2ē   التأكسد / المصعد )   

   H_{2 (g)}          2H ⁺_(aq)  + 2ē                 ( الاختزال / المهبط)

  3. اكتب المعادلة الموزونة للتفاعل الكلي للخلية

       _(g)   Zn _(S)  +   2H ⁺_(aq)                 Zn ²⁺_(aq)  +  H₂

  4. احسب جهد الاختزال المعياري للخارصين .

    ملاحظة : قيمة  ْE_خلية  من قراءة الفولتميتر  = 0.76V

         ْE_خلية  =  ْ Eاختزال مهبط –  ْ E اختزال مصعد

        0.76 = صفر –  ْ _ZnE                  

          ْ _ZnE = - 0.76 فولت                                                     

 مثال : خلية غلفانية في الظروف المعيارية مكونة  من الفضة والهيدروجين .وجد أن قيمة  ْE_خلية = 0.80 V فإذا علمت أن                        قطب  الفضة يمثل القطب الموجب في الخلية ، احسب جهد الاختزال المعياري للفضة ؟

     قطب  الفضة يمثل القطب الموجب أي (  يمثل المهبط ) :

         ْE_خلية  =  ْ Eاختزال مهبط –  ْ E اختزال مصعد

         ْE_خلية  = 0.80–  صفر =  0.80 فولت                                                           

 جهود الإختزال المعيارية :

تم معرفة جهود اختزال معياري لأقطاب كثيرة اعتماداً على قطب الهيدروجين المعياري وتم وضعها في جدول على شكل أنصاف تفاعلات اختزال ، مرتبة تصاعديا وفق تزايد جهود الإختزال المعيارية يسمى جدول جهود الإختزال المعياري :

ْE	نصف تفاعل الاختزال
-3.04	Li+ + ē Li
-2.92	K+ + ē  K
-2.87	Ca+2 +2ē  Ca
-2.71	Na+ +ē  Na
-2.37	Mg+2 +2ē  Mg
-1.66	Al+3 +3ē  Al
-1.18	Mn+2 +2ē  Mn
-0.83	2H2O +2ē   H2 (g) +2OH -
-0.76	Zn+2 +2ē  Zn
-0.74	Cr+2 +2ē  Cr
-0.44	Fe+2 +2ēFe
-0.41	Cr+3 +3ē  Cr
-0.40	Cd+2 +2ē  Cd
-0.28	Co+2 +2ē  Co
-0.25	Ni+2 +2ē  Ni
-0.14	Sn+2 +2ē  Sn
-0.13	Pb+2 +2ē  Pb
-0.04	Fe+3 +3ē  Fe
0.00	2H+ +2ē  H2 (g)
0.34	Cu+2 +2ē  Cu
0.54	I2 +2ē  2I-
0.77	Fe+3 +ē  Fe+2
0.80	Ag + +ē Ag
1.06	Br2 +2ē 2Br
1.23	O2 (g) + 4H++ 4ē 2H2O
1.33	Cr2O7-2 + 14H+ + 6ē 2Cr+3 +7H2O
1.36	Cl2 +2ē 2Cl -
1.50	Au+3 +3ē Au
1.52	MnO4-+ 8H+ +5ē Mn+2 + 4H2O
2.01	S2O8- 2 +2ē 2SO4-2
2.87	F2 +2ē 2F-

    ملاحظات عامة على جدول جهود الإختزال المعيارية :

1.    من أعلى لأسفل الجدول تزداد جهود الاختزال أي يزداد الميل للاختزال فتزداد قوة المواد كعوامل مؤكسدة.

2.    من أسفل لأعلى الجدول تقل جهود الاختزال أي يقل الميل للاختزال فتزداد قوة المواد كعوامل مختزلة.

3.    كل نصف تفاعل في الجدول يحتوي على عامل مؤكسد وعامل مختزل :

Li ⁺ _(aq)  +  e ^-                     Li _(S)                ( Li⁺ اختزل فهو عامل مؤكسد )

Li _(S)  +  e ^-                    Li ⁺_(aq)              (Li  تأكسد فهو عامل مختزل )