الخلايا الجلفانية - الكيمياء 3 - ثالث ثانوي

41 الكيمياء الكهربائية الفكرة ( العامة يمكن تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، كما يمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية . 4-1 الخلايا الجلفانية الفكرة الرئيسة تحدث الأكسدة في الخلايا الجلفانية عند الأنود (المصعد) منتجة إلكترونات تتدفق نحو الكاثود (المهبط) حيث يحدث الاختزال. 4-2 البطاريات الفكرة الرئيسة البطاريات خلايا جلفانية تستعمل التفاعلات التلقائية لإنتاج الطاقة لأغراض متعددة. 4-3 التحليل الكهربائي الفكرة الرئيسة يؤدي وجود مصدر تيار كهربائي في التحليل الكهربائي إلى حدوث تفاعل غير تلقائي في الخلايا الكهروكيميائية. حقائق كيميائية التقطت كاميرا خاصة هذه الصورة لأسد الجبل، ويعد استعمال هذه الكاميرا طريقة غير مؤذية لدراسة الحيوانات. توصل هذه الكاميرا بجهاز استشعار يجعلها تعمل عند اقتراب الحيوان. يعمل جهاز الاستشعار عادة بالأشعة تحت الحمراء، ولكن قد تستعمل أيضًا مجسات الضغط الحساسة. تزود البطارية كلًا من الكاميرا وجهاز الاستشعار بالطاقة، وتشكل الحرارة والرطوبة والبرودة تحديات لأداء كل منهما. يمكن تعديل المجسات لتعمل في أوقات معينة فقط؛ وذلك للمحافظة على البطارية. بطارية ليثيوم بطاريات قلوية حجم C 132 Electrochemistry مجس كاميرا وزارة التعليم Ministr of Education 2024

نشاطات تمهيدية تجربة استهلالية كيف يمكن عمل بطارية من حبة ليمون؟ يمكن شراء بطارية بوصفها مصدرًا للطاقة المحمولة من أي متجر، كما يمكنك أيضًا إضاءة مصباح كهربائي باستعمال ليمونة. كيف يتشابه هذان المصدران للطاقة ؟ المطويات الخلايا الكهروكيميائية منظمات الأفكار قم بإعداد المطوية الآتية لمساعدتك على مقارنة الخلايا الكهروكيميائية بخلايا التحليل الكهربائي. الخطوة 1 اثن 5cm من أسفل الورقة أفقيًا. الخطوة 2 اثن الورقة رأسيًا نصفين. خطوات العمل Bas 1. اقرأ تعليمات السلامة في المختبر. .2 اغرس شريحة من الخارصين وأخرى من النحاس في حبة ليمون، واترك بينهما مسافة 2cm. .3 صل الطرف الأسود لمقياس الجهد بشريحة الخارصين، وصل شريحة النحاس بطرفه الأحمر. ثم لاحظ قراءة فرق الجهد، وسجلها. الخطوة 3 افتح الورقة، ثم ثبت الثنية في أسفلها لعمل قسمين منفصلين، وعنونهما كما في الشكل. الخلايا الجلفانية تثبيت البطاريات O .4 انزع إحدى الشريحتين المعدنيتين من الليمونة، ولاحظ ما المطويات استعمل هذه المطوية مع القسمين 1-4 يحدث لقراءة فرق الجهد على المقياس. تحليل النتائج اشرح الغرض من شريحتي الخارصين والنحاس. 2. استنتج دور الليمونة استقصاء هل تعتقد أنه يمكنك عمل بطارية من أطعمة غير الليمون؟ ضع فرضية لأنواع الأطعمة التي يمكن استعمالها في عمل بطارية، ثم ابدأ في تصميم البطارية، وطبّق فرضيتك بعد وافقة معلمك عليها. و 3-4، وذلك عند قراءتك للخلايا الكهروكيميائية لخص المعلومات في بطاقات، واحفظها في القسم الخاص بها. وزار ليم 133 Ministry of Education 2024-1446

رابط الدرس الرقمي 4-1 الأهداف الخلايا الجلفانية Voltaic Cells تصف طريقة للحصول على الفكرة واختزال. www.ien.edu.sa الرئيسة تحدث الأكسدة في الخلايا الجلفانية عند الأنود (المصعد) طاقة كهربائية من تفاعل أكسدة منتجة إلكترونات تتدفق نحو الكاثود (المهبط) حيث يحدث الاختزال. الربط مع الحياة إذا تم قص ورقة نقدية من فئة الريال .نصفين. فما الذي يمكن عمله تحدد أجزاء الخلية الجلفانية، وتفسر بأحد النصفين؟ لا يمكن استعماله من دون النصف الآخر. وهذا ينطبق أيضًا على الخلايا كيفية عمل كل من هذه الأجزاء الجلفانية التي تتكون من نصفي خلية؛ إذ يجب وجودهما معًا لإنتاج الطاقة. تحسب جهد الخلية، وتحدد تلقائية الأكسدة والاختزال في الكيمياء الكهربائية تفاعل الأكسدة والاختزال فيها. مراجعة المفردات Redox in Electrochemistry الكيمياء الكهربائية هي دراسة عمليات الأكسدة والاختزال التي تتحول من خلالها الأكسدة فقدان الذرات للإلكترونات الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، وبالعكس. أو الزيادة في عدد التأكسد. من المعروف أن تفاعلات الأكسدة والاختزال جميعها تتضمن انتقال الإلكترونات من الاختزال اكتساب الذرات المواد المتأكسدة إلى المواد المختزلة. ويوضح كل من الشكلين 1-4 و 2-4 تفاعلاً بسيطًا للإلكترونات؛ أو النقص في عدد للأكسدة والاختزال ؛ حيث تتأكسد ذرات الخارصين لتكوّن أيونات الخارصين ويكتسب أيون النحاس Cu الإلكترونين اللذين فقدتها ذرة خارصين ليكون ذرة التأكسد. المفردات الجديدة القنطرة الملحية الخلية الكهروكيميائية الخلية الجلفانية نصف الخلية الأنود الكاثود جهد الاختزال قطب الهيدروجين القياسي الشكل 1-4 النحاس. وتبين المعادلة الأيونية الكلية الآتية انتقال الإلكترونات: 2e- Zn(s) + Cu2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Cu(s) Zn2+ أنصاف التفاعل يتألف هذا التفاعل من نصفي تفاعل الأكسدة والاختزال الآتيين: نصف تفاعل الأكسدة: فقدان الإلكترونات 2 + Zn (s) → Zn2+ Cu2+ (aq) + 2e- (aq) نصف تفاعل الاختزال اكتساب الإلكترونات (Cu (s + ترى، ماذا يحدث لو فصل نصف تفاعل الأكسدة عن نصف تفاعل الاختزال؟ وهل يمكن أن يحدث التفاعل ؟ مع الأخذ في الاعتبار الشكل 1-4 الذي غمست فيه شريحة الخارصين في محلول كبريتات الخارصين، وغمست فيه شريحة النحاس في محلول كبريتات النحاس II. a. غمست شريحة الخارصين في محلول 1M من كبريتات الخارصين، وغمست شريحة النحاس في محلول M من كبريتات النحاس. b. تم توصيل شريحتي الخارصين والنحاس بسلك كهربائي لتوفير طريق لتدفق الإلكترونات، إلا أن الطريق لم تكتمل بعد، ولا يمكن مرور الإلكترونات فيها. a شريحة نحاس شريحة خارصين 1M Zn2+ 1M Cu2+ b سلك نحاسي وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 134

نصف تفاعل الاختزال تدفق e- K+ Cl- CI K+ e- K+ Cl e-e- CI K+ e أيونات Cu موجبة Cu2+ Cu2+ + 2e + Cu →> أيونات سالية Zn Zn2+ Zn → Zn2+ + 2e الشكل 2-4 إضافة القنطرة الملحية إلى جانب السلك تعمل على إكمال طريق التدفق؛ فتتحرك الأيونات السالبة خلال القنطرة الملحية نحو الخارصين أما الأيونات الموجبة فتتحرك خلال القنطرة نحو النحاس. نصف تفاعل الأكسدة هناك مشكلتان تمنعان حدوث تفاعل الأكسدة والاختزال : الأولى أنه لا يوجد أي طريق لنقل الإلكترونات من ذرات الخارصين إلى أيونات النحاس، وهذه يمكن حلها بتوصيل شريحتي الخارصين والنحاس بأسلاك معدنية، كما في الشكل 16-4؛ إذ يعمل السلك عمل ممر لتدفق الإلكترونات من الخارصين إلى النحاس. أما الثانية فعندما توضع الشرائح المعدنية في محاليلها تبدأ الأكسدة عند الخارصين، في حين يبدأ الاختزال عند النحاس. إلا أن هذه التفاعلات لا تستمر ؛ لأن أيونات الخارصين الموجبة تتراكم حول قطب الخارصين خلال تأكسده، كما تتراكم أيونات الكبريتات السالبة حول قطب الشكل 3-4 خلية نسخة طبق النحاس خلال اختزاله، وهذا التراكم للأيونات يوقف أي استمرار للتفاعل. ولحل الأصل من أول خلية لأليساندرو هذه المشكلة تستعمل القنطرة الملحية؛ وهي ممر لتدفق الأيونات من جهة إلى أخرى، كما في الشكل 2-4 وتتكون من أنبوب يحتوي على محلول موصل للتيار الكهربائي (محلول فولتا تتكون من ألواح من الخارصين والنحاس مرتبة في طبقات متبادلة إلكتروليتي) لملح ذائب في الماء مثل KCI، ويحفظ داخل الأنبوب بواسطة جل هلامي ومفصولة بقطع قماش أو ورق مقوى يسمح للأيونات بالحركة من خلاله على ألا يختلط المحلولان في الكأسين. أو أي غطاء وعندما يوضع السلك المعدني والقنطرة الملحية في مكانيهما يبدأ تفاعل الأكسدة والاختزال مغموس بمحلول حمضي. وتزداد التلقائي، وتنتقل الإلكترونات عبر السلك من نصف تفاعل الأكسدة إلى نصف تفاعل شدة التيار الكهربائي المتولد بزيادة عدد الأقراص المعدنية المستخدمة الاختزال، في حين تنتقل الأيونات السالبة والموجبة خلال القنطرة الملحية. ويسمى تدفق الأجسام المشحونة التيار الكهربائي. ففي الشكل 2- تتدفق الإلكترونات خلال السلك، وتتدفق الأيونات خلال القنطرة الملحية، فيتكون ما يعرف بالتيار الكهربائي. و تنتج طاقة تدفع الإلكترونات لإضاءة المصابيح الخلايا الكهروكيميائية يبين الشكل 2-4 نوعًا من الخلايا الكهروكيميائية يعرف بالخلايا الجلفانية. والخلية الكهروكيميائية جهاز يستعمل تفاعل الأكسدة والاختزال لإنتاج طاقة كهربائية، أو يستعمل الطاقة الكهربائية لإحداث تفاعل كيميائي. والخلية الجلفانية نوع من الخلايا الكهروكيميائية التي تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية بواسطة تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي. وقد سميت أيضًا الخلايا الفولتية نسبة إلى أليساندرو فولتا Alessandro Volta (1745-1827م) العالم الفيزيائي الإيطالي الذي نسب إليه الاختراع عام 1800م، انظر الشكل 3-4. وزارف ليم 135 Ministry of Education 2024-1446

طاقة حركة طاقة وضع طاقة حركة طاقة وضع طاقة طاقة كيمياء الخلايا الجلفانية Chemistry of Voltaic Cells تتكون الخلايا الكهروكيميائية من جزأين يطلق على كل منهما نصف الخلية؛ حيث يحدث فيهما تفاعلات الأكسدة والاختزال المنفصلين. ويحتوي كل نصف خلية على قطب ومحلول يشتمل على أيونات. ويتكون القطب من مادة موصلة للتيار الكهربائي، وعادة ما تكون هذه المادة قطعة معدنية أو قطعة من الجرافيت توصل الإلكترونات من محلول نصف الخلية وإليه. ويوضح الشكل 2-4 كأس قطب الخارصين التي يحدث فيها نصف تفاعل الأكسدة، وكأس قطب النحاس التي يحدث فيها نصف تفاعل الاختزال. ويسمى التفاعل الذي يحدث في كل نصف خلية تفاعل نصف الخلية. ويسمى القطب الذي يحدث عنده تفاعل الأكسدة الأنود (المصعد)، في حين يسمى القطب الذي يحدث عنده تفاعل الاختزال الكاثود (المهبط ) ماذا قرأت؟ حدّد أي الكأسين في الشكل 2-4 تحتوي على الأنود؟ الخلايا الجلفانية والطاقة لأن طاقة الوضع لأي جسم ناتجة عن موضعه أو مكوناته. لذا تعد طاقة الوضع الكهربائية في الكيمياء الكهربائية مقياس كمية التيار التي يمكن توليدها من خلية جلفانية للقيام بشغل. وتستطيع الشحنة الكهربائية الانتقال بين نقطتين فقط عندما يكون هناك فرق في طاقة الوضع الكهربائية بينهما. وهاتان النقطتان في الخلايا الكهروكيميائية هما القطبان؛ حيث تدفع الإلكترونات المتكونة عند الأنود موقع التأكسد أو تتحرك نحو الكاثود بواسطة القوة الدافعة الكهربائية التي تنشأ عن وجود فرق في طاقة الوضع الكهربائية بين القطبين، وتعرف بجهد الخلية. والفولت هو الوحدة المستعملة في قياس جهد الخلية. وفرق الجهد في الخلية الجلفانية هو إشارة إلى كمية الطاقة المتوافرة لدفع الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود. انظر إلى التماثل الظاهر في الشكل 44، حيث تقف الأفعوانية عند قمة المنحدر لحظة الشكل 4-4 عندما تكون الأفعوانية قصيرة، ثم تتحرك من موقعها المرتفع نزولاً إلى أسفل؛ بسبب اختلاف طاقة الوضع في قمة المسار يكون لها طاقة وضع للجاذبية الأرضية بين قاع المسار وقمته. وتتحدد طاقة الأفعوانية الحركية بواسطة عالية بالنسبة إلى المسار المنخفض الاختلاف في الارتفاع بين قاع المسار وقمته. وكذلك تتحدد طاقة الإلكترونات بسبب اختلاف الارتفاع، وبالمثل يكون المتدفقة من الأنود إلى الكاثود في الخلايا الجلفانية بواسطة الاختلاف في طاقة الوضع للخلية الكهروكيميائية طاقة وضع الكهربائية بين القطبين. ووفقًا لمفردات تفاعل الأكسدة والاختزال يتحدد فرق جهد لإنتاج تيار بسبب اختلاف قابلية الخلية بمقارنة مدى الفرق في قابلية مادتي الأقطاب على اكتساب الإلكترونات؛ الأقطاب لتحريك الإلكترونات من فكلما زاد الفرق بين القطبين زاد فرق جهد الخلية وزاد معه أيضًا جهد الخلية. الأنود إلى الكاثود. وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 136

المفردات وتسحب قوة الجاذبية هواة رياضة الغطس في الماء دائما للسقوط نحو وضع منخفض من الطاقة، وليس إلى أعلى؛ حيث يكون مستوى الطاقة أعلى. وعندما يقفز الغواص من فوق لوح الغوص تكون حركته إلى أسفل بصورة تلقائية. وكذلك في خلية الخارصين – النحاس وتحت الظروف القياسية، تكتسب أيونات النحاس عند الكاثود إلكترونات بسهولة أكثر أصل الكلمة من الخارصين عند الأنود، لذا يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال بتلقائية فقط عندما تتدفق الإلكترونات من الخارصين إلى النحاس. التلازم:(Correspond) الموافقة أو الانسجام حساب فرق الجهد في الخلايا الكهروكيميائية Calculating Electrochemical Cell Potentials من المعروف أن اكتساب الإلكترونات يسمى اختزالاً. وبناءً على هذه الحقيقة فإن مدى قابلية المادة لاكتساب الإلكترونات هو جهد الاختزال لهذه المادة. ولا يمكن تحديد جهد اختزال القطب بصورة مباشرة؛ وذلك لأن نصف تفاعل الاختزال لا بد أن يقترن بنصف تتوافق الاتجاهات مع الخريطة، أو الأكسدة والاختزال عمليتان متلازمتان. من المطويات هذا القسم. تفاعل الأكسدة. وعند اقتران نصفي التفاعل فإن الجهد الناتج يساوي فرق الجهد لنصفي ضمن مطويتك معلومات التفاعل. ويعبر عن فرق الجهد الكهربائي بين نقطتين بالفولت V. قطب الهيدروجين القياسي قرر علماء الكيمياء منذ زمن بعيد أن يقيسوا جهد الاختزال لكل الأقطاب مقابل قطب ،واحد فاختاروا قطب الهيدروجين القياسي الذي يتكون من شريحة صغيرة من البلاتين مغموسة في محلول حمض الهيدروكلوريك HCl الذي يحتوي على أيونات هيدروجين بتركيز .1M. ويتم ضخ غاز الهيدروجين H2 في المحلول عند ضغط atm 1 ودرجة حرارة C ،25، وتعرف هذه الظروف بالظروف القياسية (STP كما في الشكل ،45 ويكون فرق الجهد لقطب الهيدروجين القياسي، المسمى جهد الاختزال القياسي (E) مساويًا V 0.000، ويعمل هذا القطب نصف تفاعل اختزال، أو نصف تفاعل أكسدة ؛ اعتمادًا على نصف الخلية الموصلة به. والتفاعلان اللذان يمكن حدوثهما عند قطب الهيدروجين القياسي هما : E° = 0.000 V الاختزال +2e H2(g) الأكسدة 2H+ (aq) بوصفه الاختزال : 2H+ (aq) + 2e → H2(g) الأكسدة : + 2e- H2(g) → 2H+ (aq) H2(g) قنطرة ملحية (عند latm) الشكل 5-4 يتكون قطب الهيدروجين القياسي من قطب بلاتين يتدفق فوقه غاز الهيدروجين عند 1atm ويضخ في محلول حمضي يحتوي على أيونات هيدروجين محلول حمض 1M بتركيز 1 . ويعرف فرق جهد الاختزال لهذا الترتيب بالقيمة V 0.000. فقاعات H قطب بلاتين 137 وزارت ليم Ministry of Education 2024-1446

جهود نصف الخلية قام الكيميائيون عبر السنين بقياس جهود الاختزال القياسية وتسجيلها لعدد من أنصاف الخلايا. ويرتب الجدول 1-4 بعض تفاعلات نصف الخلية الشائعة تصاعديا بحسب قيم جهود الاختزال. وقد تم الحصول على القيم في الجدول من خلال قياس الجهد عند توصيل كل نصف خلية بنصف خلية الهيدروجين القياسية. وقد كتبت التفاعلات في الجدول 1-4 جميعها في صورة تفاعلات اختزال. ومع ذلك في أي خلية جلفانية تحتوي دائما على نصفي تفاعل سيحدث نصف التفاعل الذي له جهد اختزال أقل في اتجاه عكسي، ويصبح تفاعل أكسدة؛ أي أن نصف التفاعل الذي له جهد اختزال موجب أكبر يحدث في صورة اختزال، أما نصف التفاعل الذي له جهد اختزال سالب أكبر فيحدث في صورة أكسدة. ويجب أن يقاس جهد القطب تحت الظروف القياسية، وهي غمس القطب في محلول من أيوناته تركيزه 1M عند 25°C و atm .1. حيث يشير الصفر فوق الترميز . باختصار إلى أن القياس تم تحت ظروف قياسية. نصف التفاعل Eº (V) الجدول 1-4 جهود الاختزال القياسية نصف التفاعل Eº (V) Cu2+ + e → Cu+ +0.153 Li+ + e¯ → Li -3.0401 Cu2+ + 2e→Cu +0.3419 Ca2+ + 2e→Ca -2.868 O2 + 2H2O+ 4e¯ →40H- +0.401 Nae Na -2.71 I22e → 21¯ +0.5355 Mg2+ + 2e¯ → Mg -2.372 Fe3+ + e →> Fe²+ +0.771 Be²+ + 2e- → Be -1.847 NO3 + 2H+ + e¯ → NO2 + H₂O +0.775 Al3+ + 3e¯ → Al -1.662 Hg 2+ + 2e → → 2Hg +0.7973 Mn2+ + 2e → Mn -1.185 Ag+ + e → Ag +0.7996 Cr²+ + Cr2 2e → Cr -0.913 Hg2+ + 2e → → Hg +0.851 2H2O + 2e¯ → H2 + 20H- -0.8277 2Hg2+ + 2e¯ → Hg₂²+ NO3 + 4H+ + 3e¯ → NO + 2H2O +0.920 Zn2+ + 2e → Zn -0.7618 +0.957 Cr3+3e- → Cr -0.744 Br2(1) + 2e → → 2Br¯ +1.066 S2e S5- →S5- -0.47627 Pt2+ + 2e → Pt O2 + 4H+ + 4e¯ → 2H₂O +1.18 +1.229 Fe2+ + 2e → Fe Cd 2+ + 2e → Cd Cl2 + 2e2C1- +1.35827 PbI2 + 2e¯ → Pb + 2I¯ -0.447 -0.4030 -0.365 Au3+3e → Au +1.498 PbSO4 + 2e → Pb + SO¯ -0.3588 4 - MnO4 + 8H+ + 5e¯ →→Mn2+ + 4H₂O +1.507 2+ Co²+ + 2e → Co -0.28 Aue¯ → Au +1.692 Ni 2+ + 2e → Ni -0.257 H2O2 + 2H + + 2e¯ → 2H₂O +1.776 Sn2+ + 2e → Sn -0.1375 3+ Co³+ + e- → Co²+ 5- 8 F2 + 2e- → 2F- +1.92 Pb2+ + 2e → Pb -0.1262 S2O + 2e → 2S05/ 5- 4 +2.010 Fe3+ + 3e¯ →Fe -0.037 +2.866 2H+ + 2e¯ → H₂ 0.0000 وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 138

لوح خارصين e- e-e- Zn. Zn2+ 1M Zn2+ Ht ده e محلول حمض 1M .b قطب هيدروجين قياسي H2(g) لوح نحاس e e =1 +1 Cu Cu2+ H+ 1M Cu2+ 1M H+ تدفق -e قطب هيدروجين قياسي H2(g) .a Cu الشكل 6-4 تحديد جهود اختزال الخلية الكهروكيميائية يمكنك استعمال الجدول 1-4 في حساب الجهد الكهربائي لخلية جلفانية مكونة من قطب نحاس وقطب خارصين تحت a.عند توصيل قطب Cu | Cu الظروف القياسية. وتكون الخطوة الأولى هي تحديد جهد الاختزال القياسي لنصف بقطب هيدروجين تتدفق الإلكترونات خلية النحاس Ecu عند توصيل قطب النحاس بقطب الهيدروجين القياسي، كما في نحو لوح النحاس، فتختزل أيونات الشكل 46a؛ حيث تتدفق الإلكترونات من قطب الهيدروجين إلى قطب النحاس، Cu2 إلى ذرات Cu ، وفرق الجهد وتختزل أيونات النحاس إلى فلز النحاس، وتساوي قيمة Ecu المقيسة بواسطة مقياس لهذا التفاعل يساوي 0.342+ . فرق الجهد (V (voltmeter 0.342+. ويشير الجهد الموجب إلى أن أيونات Cu2 b. وعند توصيل قطب Zn | Zn2 عند قطب النحاس تكتسب إلكترونات بصورة أسهل من أيونات +H عند قطب بقطب الهيدروجين تتدفق الإلكترونات الهيدروجين القياسي؛ لذا يحدث الاختزال عند قطب النحاس، في حين تحدث الأكسدة مبتعدة عن لوح الخارصين عند قطب الهيدروجين، وتكون أنصاف تفاعلات الأكسدة والاختزال والتفاعل الكلي فتتأكسد ذرات الخارصين إلى كما يلي: (نصف تفاعل التأكسد) 2e + (نصف تفاعل الاختزال) (aq) + 2e - → Cu(s) (التفاعل الكلي) (Cu(s + H2(g) Cu2+ →2H+ (aq) H2(g) + Cu2+ (aq) → 2H+ (aq) أيونات Zn2. وفرق الجهد لهذا التفاعل يساوي 0.762-. متفاعل ويمكن كتابة هذا التفاعل بصيغة تعرف بـ "رمز الخلية: متفاعل تاریخ H2 | H (M) || Cu²+ (IM) | ناتج | Cu E°cu= +0.342 V نصف تفاعل الاختزال نصف تفاعل الأكسدة تكتب الذرات الأيونات التركيز ) الداخلة في عملية الأكسدة أولاً وبالترتيب الذي تظهر به في نصف تفاعل الأكسدة، ويوضع بعدهما خطان عموديان (||) يمثلان السلك والقنطرة الملحية وتربطان نصفي الخلية. ثم تكتب الأيونات (التركيز) الذرات الداخلة في الاختزال بالترتيب نفسه. لاحظ ضرورة وضع إشارة ناتج الجمع لقيم E قبل قيمة الجهد. 139 ونار فاست ليم Ministry of Education 2024-1446

الشكل 7-4 يوضح كيف يحسب جهد الخلية الكلى من فرق جهود 140 الاختزال لقطبين. +0.342 V قطب Cu2+ | Cu 0.000 V قطب الهيدروجين القياسي -0.762 V قطب Zn2+ Zn Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu E° cell = + : 1.104 V إن الخطوة الآتية هي عند قياس جهد اختزال الخارصين مقابل قطب الهيدروجين القياسي تحت الظروف القياسية، كما في الشكل 4-6b حيث تتدفق الإلكترونات من قطب الخارصين إلى قطب الهيدروجين . وعند قياس قيمة "E لنصف خلية الخارصين بواسطة مقياس الجهد فإنها تساوي 0.762V-، وهذا يعني أن أيونات الهيدروجين عند قطب الهيدروجين تكتسب إلكترونات أسهل من أيونات الخارصين، لذا يكون جهد اختزال أيونات الهيدروجين أعلى من جهد اختزال أيونات الخارصين. تذكر أن جهد الاختزال للهيدروجين تم تعيينه بالقيمة 0.00V، لذا فإن جهد اختزال قطب الخارصين يجب أن يكون قيمة سالبة. ويمكن كتابة تفاعلي أنصاف الخلية والتفاعل الكلي على النحو الآتي: تحديد جهد الاختزال القياسي لنصف خلية الخارصين En نصف تفاعل الأكسدة) - aq) + 2e) نصف تفاعل الاختزال) (2) . → Zn2+ Zn(s) 2H+ (aq) →> + 2e- (التفاعل الكلي (H2(g + (aq) Zn(s) + 2H+ (aq) → Zn2+ ويمكن كتابة هذا التفاعل بصيغة تعرف بـ "رمز الخلية": ناتج متفاعل Zn | Zn2+ (IM) || H+ (IM) | H₂ H2 En E2 = −0.762 V متفاعل نصف تفاعل الاختزال نصف تفاعل الأكسدة أما الخطوة النهائية في حساب جهد الخلية الكهروكيميائية فتكون بجمع نصفي تفاعل النحاس والخارصين، على أنهما خلية جلفانية، وهذا يعني حساب جهد الخلية الجلفانية القياسي باستعمال المعادلة الآتية: معادلة جهد الخلية Eº anode - = Eº cathode تمثل الجهد الكلي القياسي للخلية. Cathode تمثل جهد نصف الخلية القياسي لتفاعل الاختزال. cell Eº cell anode Eau تمثل جهد نصف الخلية القياسي لتفاعل التأكسد. جهد الخلية القياسي يساوي الجهد القياسي لنصف خلية الاختزال مطروحًا منه الجهد القياسي لنصف خلية التأكسد. ولما كان الاختزال يحدث عند قطب النحاس والأكسدة تحدث عند قطب الخارصين، فإن قيم °E يمكن تعويضها على النحو الآتي: EZn²+ Zn Ecell = Ecu Cu - Ezn | zn | = + 0.342 V - ( -0.762V) = +1.104 V اختبار الرسم البياني أيهما يتأكسد أسهل من الهيدروجين: النحاس أم الخارصين ؟ والشكل 7-4 يوضح طريقة حساب الجهد الكلي لهذه الخلية. وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446

مثال 1-4 حساب جهد الخلية تمثل أنصاف تفاعلات الاختزال الآتية نصفي خلية جلفانية: + → 21¯(aq) 21- Fe²+(aq) I2(s) 2e → (aq) + 2e → Fe(s) حدّد التفاعل الكلي للخلية وجهدها القياسي، ثم اكتب رمز الخلية. لتحليل المسألة لقد أعطيت معادلات أنصاف الخلية، ويمكن إيجاد جهود الاختزال القياسية من الجدول 1-4. وسيكون نصف التفاعل الذي له أقل جهد اختزال هو تفاعل الأكسدة، ويمكنك بهذه المعلومة كتابة التفاعل الكلي للخلية وكتابة رمزها. المعطيات جهود الاختزال القياسية لأنصاف الخلايا المطلوب التفاعل الكلي للخلية = ؟ S = E° cell رمز الخلية = ؟ = E° Eº cell cathode - Eº anode 2 حساب المطلوب أوجد قيم جهود الاختزال القياسية لكل نصف خلية من الجدول 1-4. E - = +0.536 V 12/1- 0 E fet Fe = -0.447 V I2(s) + 2e- Fe2+ (aq) → 21¯(aq) + 2e - → Fe(s) لما كان لاختزال اليود أكبر جهد اختزال فإن نصف التفاعل هذا يستمر في الاتجاه الطردي في صورة اختزال، في حين يستمر نصف تفاعل الحديد في الاتجاه العكسي في صورة أكسدة . أعد كتابة نصف تفاعل الحديد في الاتجاه الصحيح. (نصف تفاعل الأكسدة) - Fe2+ (aq) + 2e → Fe(s) I2(s) + 2e- → 21- (نصف تفاعل الاختزال ) (aq) I2(s) + Fe(s) → Fe2+ (aq) + 21 (aq) Eº cell Eº = cell = Eº cathode - Eº anode E12|-- Ee²+ |Fe EFe2+|Fe E° cell = +0.536 V - (−0.447 V) Eº = +0.983 V cell Fe | Fe2+ Fe | Fe2+ (IM) || 12 | 1 (IM I- 141 وزار سليم Ministry of Education 2024-1446 اجمع المعادلتين. التفاعل الكلي للخلية (aq) .I2(s) + Fe(s) → Fe2+ (aq) + 21 (aq) احسب جهد الخلية القياسي. ضع معادلة جهد الخلية عوض Eir و Efet Fe في المعادلة العامة. 'I2|I¯ 'Fe2+ عوض عن E بالقيمة 0.536+ ، وعن Ere Fe بالقيمة 0.447V 'I2|I- كتابة رمز الخلية. اكتب أولا نصف تفاعل الأكسدة باستعمال رمز المادة المتفاعلة ثم الناتجة واكتب بعد ذلك نصف تفاعل الاختزال عن اليمين، وافصل بين نصفي التفاعل بخطين عموديين. رمز الخلية (IM) || 12 | I¯ (IM) تقويم الإجابة Fe | Fe2+ (IM) جهد الاختزال المحسوب معقول بالنظر إلى جهود أنصاف الخلية.

مسائل تدريبية اكتب معادلة موزونة لتفاعل الخلية الكلي لكل من أزواج أنصاف التفاعلات الآتية. احسب جهد الخلية القياسي، ثم اكتب رمز الخلية. ارجع إلى قواعد وزن معادلات الأكسدة والاختزال التي درستها سابقا. Pt2+ (aq) Co²+ +2e- و (Pts → 2+ (aq) +2e- → CO(S) 9 Cr3+ →> +2e- Sn2+ (aq) Sn(s) .1 (aq) + 3e→Cr(s) .2 Hg2+ (aq) + 2e-→ Hg(1) 9 Cr²+ و (aq) + 2e- → Cr(s) .3 .4 تحفيز اكتب معادلة موزونة لتفاعل الخلية، واحسب جهد الخلية القياسي للتفاعل الذي يحدث عندما يتم توصيل هذه الخلايا معًا، ثم اكتب رمز الخلية. NO 3 (aq) + 4H+ (aq) + 3e- → NO (g) + 2H2O (1) O2(g) + 2H2O(l) + 4e → 40H(aq) استعمال جهود الاختزال القياسية Using Standard Reduction Potentials توضح الأمثلة كيفية استعمال البيانات في الجدول 1-4 لحساب الجهد القياسي للخلايا الجلفانية. والاستعمال الآخر المهم لجهود الاختزال القياسية هو تحديد هل سيكون التفاعل المقترح تحت الظروف القياسية تلقائيا ؟ وكيف يمكن أن تكون جهود الاختزال القياسية مؤشرًا على التلقائية؟ تتدفق الإلكترونات في الخلية الجلفانية من نصف الخلية ذات جهد الاختزال القياسي الأقل إلى نصف الخلية ذات جهد الاختزال القياسي الأكبر؛ لتعطي جهدًا موجبًا للخلية. ولتتوقع حدوث تفاعل أكسدة واختزال معين بشكل تلقائي، اكتب التفاعل في صورة أنصاف تفاعل، وابحث عن جهد الاختزال لكل منها. واستخدم هذه القيم الحساب جهد الخلية الجلفانية. إذا كان الجهد المحسوب موجبًا فالتفاعل تلقائي أما إذا كانت القيمة سالبة فالتفاعل غير تلقائي. لكن في حالة عكس تفاعل غير تلقائي فسيكون له جهد خلية موجب؛ وهذا يعني أن التفاعل العكسي يكون تلقائيا . ماذا قرأت؟ حدد إشارة جهد الخلية القياسي لتفاعل الأكسدة والاختزال الذي يحدث بصورة تلقائية. مسائل تدريبية احسب جهد الخلية لتحديد ما إذا كانت تفاعلات الأكسدة والاختزال الآتية تحدث بصورة تلقائية كما هي مكتوبة أم لا، واستخدم الجدول 1-4 لمساعدتك على تحديد أنصاف التفاعل الصحيحة: 2Mn2+ (aq) + Cu(s) .5 →Sn²+ (aq) Sn(s) + Cu2+ Pb(s) + Mg2+(aq) →> (aq) Mg(s) + Pb2+ (aq) .6 56 2MnO4(aq) + 16H+(aq) + 5Hg2²+ +8H2O(l) + 10Hg2+(aq) .7 (aq) 2SO45 (aq) + Co2+ (aq) → CO(s) + S2O85 (aq) .8 9. تحفيز اكتب المعادلة، وحدّدجهد الخلية للخلية الآتية باستعمال الجدول 1-4. هل التفاعل تلقائي؟ وزارة التعليم Ministry of Education 2024-1446 Al | Al3+ (IM) || Hg²+ (IM) | Hg22+ (IM) 142

استراتيجية حل المسألة تحديد جهود الخلية تلخص الخطوات الخمس الآتية إجراءات حساب جهد الخلية الجلفانية التي يحدث فيها تفاعل الأكسدة والاختزال بشكل تلقائي. أن عليك كتابة معادلة للخلية التي تتكون من أنصاف التفاعل الآتية وحساب جهدها: افترض Mn2+ (aq) → + 2e- + Mn (s) كل ما تحتاج إليه هو جدول لجهود الاختزال، مثل الجدول 1-4. 1. ابحث عن نصفي التفاعل في الجدول 1-4. و (s) Fe 3+ (aq) → Fe + 3e- 4. زن الإلكترونات في معادلات نصفي الخلية بضرب كلتا 2. قارن بين جهد نصفي الخلية؛ فنصف الخلية التي لها جهد المعادلتين في المعامل المناسب، ثم اجمعهما. اختزال أعلى هي التي سيحدث عندها الاختزال، في حين اضرب في 2 تحدث أكسدة في نصف الخلية التي لها جهد اختزال أقل. اضرب في 3 Fe3 (اختزال) +Mn2 (أكسدة) (aq) + 3e - → Fe (s) (aq) + 2e¯ → Mn (s) E° = -0.037 V E° = −1.185 V + 6e →2Fe (s) 2Fe3+ (aq) 3Mn (s) →3Mn2+ (aq) (aq) + 6e- اجمع المعادلتين 2Fes(aq) + 3Mn(s) +Fe(s) + Mn 5. لا تؤثر مساواة الإلكترونات المفقودة والمكتسبة في °E للتفاعل 3. اكتب معادلة الاختزال كما هي في الجدول 1-4، واكتب معادلة الأكسدة في الاتجاه المعاكس. الكلي. استخدم الصيغة Ereduction - Eoxidation للحصول على جهد الخلية. = E cell 0 Fe³+|Fe - E 0 Mn2+| Mn = -0.037V-(-1.185 V) = +1.148 V Fe3+ (aq) +3e و (s) Mn →Mn2+ Fe →> (aq) +2e- استراتيجية حل المسألة حدّد E لتفاعل التأكسد والاختزال التلقائي الذي يحدث بين الماغنسيوم والنيكل. EC = E cell التقويم 1-4 الخلاصة : 10. الفكرة الرئيسة صف الظروف التي يؤدي عندها تفاعل الأكسدة يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال في والاختزال إلى تدفق التيار الكهربائي خلال السلك . الخلايا الجلفانية على أقطاب منفصلة 11. حدّد مكوّنات الخلية الجلفانية، وفسّر دور كل مكوّن في عملية تشغيل الخلية. 12. اكتب المعادلة الموزونة لتفاعل الخلية التلقائي الذي يحدث في الخلية التي بعضها عن بعض. جهد نصف خلية التفاعل القياسي هو جهد التيار الناتج عند اقترانها بقطب الهيدروجين القياسي تحت الظروف القياسية. يكون جهد اختزال نصف الخلية سالبًا لها أنصاف تفاعل الاختزال الآتية: → Ag + (aq) + e و (2e - Ni(s + e- Ag(s) .a →> Mg(s) .b (aq) + 2e →> Sn(s) .c Pb(s) + 21- →> (aq) .d Ni2+ (aq) + 2e - + 2e- +3e- و → Sn و (Fe(s H2(g) Mg2+(aq) + 2e- →> Pt(s) PbI2(s) + 2e- و 2H+ (aq) Fe3+ (aq) Pt2+ (aq) + 2e- إذا حدث لها أكسدة عند توصيلها بقطب 13. حدد الجهد القياسي للخلايا الكهروكيميائية؛ حيث تمثل كل معادلة التفاعل الهيدروجين القياسي، ويكون لها جهد الكلي للخلية. وحدد أيضًا هل التفاعلات المكتوبة أدناه تلقائية أم غير تلقائية. اختزال موجب إذا حدث لها اختزال عند توصيلها بقطب الهيدروجين القياسي . الجهد القياسي لخلية جلفانية هو الفرق بين جهود الاختزال لأنصاف الخلايا. Cd(s) + 2NO3 (aq) → Cd2+ + 4H+ 2A13+ (aq) + 3Cu(s) → 3Cu²+ + 2Cu+ Hg2+(aq) (aq) (aq) (aq) (aq) →2Cu2+ +2NO2(g) + 2H2O(1).C (aq) + 2Al(s) .a + Hg().b 14. صمّم خريطة مفاهيم للبند 1-4 مبتدئًا بالمصطلح "خلية كهروكيميائية"، ثم أدرج جميع المصطلحات الجديدة في خريطتك. 143 وزار سليم Ministry of Education 2024-1446