شارح الدرس: جهد الخلية الكهروكيميائية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الدرس، سوف نتعلَّم كيف نحسب جهد الخلية القياسي للخلايا الجلفانية باستخدام القِيَم من السلسلة الكهروكيميائية.

الخلية الجلفانية نوعٌ من الخلايا الكهروكيميائية. بدلًا من وجود مصدر طاقة خارجي لتحفيز التفاعُل (كما يَحدُث في التحليل الكهربي)، تكون التفاعُلات في الخلايا الجلفانية تلقائية.

تتكوَّن الخلايا الجلفانية عادة من خليتين نصفيتين، يربط بينهما قنطرة ملحية.

تتضمَّن الخلايا الإلكتروليتية عادة تفاعُلات بين الأنيونات والكاتيونات في الإلكتروليت. في الخلايا الجلفانية، من الأكثر شيوعًا أن تُختزَل الكاتيونات في واحدة من الخليتين النصفيتين، في حين تُؤكسَد المادة المصنوع منها المصعد، وهو ما يولِّد إلكترونات في الخلية النصفية الأخرى.

يُقاس الفرق بين طاقة إلكترونات المهبط والمصعد (ويُطلَق عليه فرق الجهد) بوحدة الفولت. فرق الجهد الذي يساوي فولت واحدًا يُكافئ فرق طاقة جول واحد لكل كولوم من الشحنة.

ويُمكن استخدام ترميز الخلية لوصْف خلية كهروكيميائية بطريقة مختصرة يَسهُل فهْمها. فيُمكن وصْف كلٍّ من الخليتين النصفيتين على حِدةٍ، ثم يُمكن تجميع رمزَيِ الخليتين النصفيتين معًا.

من المُتعارَف عليه أننا نضع خلية الأكسدة النصفية (الخلية النصفية التي تحتوي على المصعد) على اليسار، وخلية الاختزال النصفية (الخلية النصفية التي تحتوي على المهبط) على اليمين. ونضع بينهما خطَّيْن (يُسمَّيان الأنبوبين) يُشيران إلى وجود القنطرة الملحية.

يُفصَل بين الأقطاب، والغازات، والمحاليل بخطٍّ مفرد. على سبيل المثال، هذه الخلية النصفية:

وستُكتَب العملية العكسية في الاتجاه المعاكس:

تُضَاف أيُّ رموز حالة أو تركيزات بين قوسين. على سبيل المثال، يُشير التعبير الآتي إلى أن لدينا قطبًا من الزنك على اتِّصال بمحلول يحتوي على أيونات عند تركيز مولار واحد:

قد يبدو ترميز الخلية الكاملة على النحو الآتي:

لعلَّك تتذكَّر أن المصعد يكون حيث يَحدُث تفاعُل الأكسدة، وعليه لا بدَّ أن يَصِف رمز الخلية النصفية تفاعُل أكسدة، وفي الوقت نفسه، المهبط يكون حيث يَحدُث تفاعُل الاختزال، وعليه لا بدَّ أن يَصِف رمز الخلية النصفية تفاعُل اختزال.

يُمكن وصْف ميل الخلية النصفية لمنح إلكترونات باستخدام جهد الاختزال القياسي لها.

تُعرَّف جهود الاختزال القياسية بالإلكترونات التي تغادر الخلية النصفية (المصعد) وتدخل إلى قطب الهيدروجين القياسي (المهبط).

يُشبه الجهاز المُستخدَم في قطب الهيدروجين القياسي الجهاز الموضَّح فيما يأتي.

يُغمَر هذا القطب في محلول حمضي قياسي بتركيز 1 M، يُطلَق غاز الهيدروجين (عند ضغط يساوي 1 bar) على قطب البلاتين في صورة فقاعات. عادة ما تُستخدَم أحماض الكبريتيك والهيدروكلوريك، إلَّا أن العامل المُهِمِّ هو التركيز، الذي لا بدَّ أن يكون 1.0 mol/L.

يُوصَل هذا القطب بخلايا نصفية أخرى، ويُقاس فرق الجهد بالفولت:

يُمكننا إجراء تقدير تقريبي عند هذه المرحلة. إذا كان قطب الخلية النصفية الأخرى مصنوعًا من فلز أكثر نشاطًا، فسيكون المصعد، وستتدفَّق الإلكترونات منه إلى قطب الهيدروجين. ومن ثَمَّ، ستدخل أيونات هذا الفلز الأكثر نشاطًا إلى المحلول. في قطب الهيدروجين، ستُختزَل أيونات الهيدروجين لتكوِّن غاز الهيدروجين.

فيما يأتي جزء من سلسلة النشاط الكيميائي يوضِّح بعض الفلزات الأكثر أو الأقلَّ نشاطًا من الهيدروجين.

يُمكننا تحليل الكثير من الفلزات باستخدام قطب الهيدروجين القياسي، وقياس اتجاه تدفُّق الإلكترونات والفرق بين طاقتَيِ القطبين. ومن ثَمَّ، يُمكننا الحصول على سلسلة القُوى الدافعة الكهربية (التي تُماثِل سلسلة النشاط الكيميائي).

هذه العناصر لها خلايا نصفية شائعة أخرى، تحتوي على أيونات لها حالات تأكسُد أخرى (مثل ).

تُعَدُّ سلسلةُ القُوى الدافعة الكهربية جزءًا من سلسلة كهروكيميائية عامَّة أكثر، تتضمَّن أيضًا تفاعُلات كهروكيميائية أكثر تعقيدًا.

كما يُمكن ملاحَظة، أن جهود الاختزال القياسية يُمكن أن تكون (وغالبًا ما تكون) سالبة.

إذا وصَّلنا خلية نصفية ذات جهد اختزال سالب بقطب الهيدروجين القياسي، فإن الإلكترونات ستتدفَّق من الخلية النصفية إلى قطب الهيدروجين القياسي، بدلًا من الاتجاه المعاكِس.

كلما أصبح جهد الاختزال القياسي موجبًا أكثر، زاد الميل لاستقبال إلكترونات وللاختزال. هذا يعني أن جهد الاختزال القياسي الذي قيمته موجبة أكثر يُشير إلى أن الخلية النصفية مؤكسِدة أكثر:

أو بعبارة أخرى: كلما زادت القيمة السالبة لجهد الاختزال القياسي، زادت قوة اختزال الخلية النصفية. لعلَّك تتذكَّر أن جهود الاختزال تُشير إلى اختزال الخلية النصفية، وليس قطب الهيدروجين القياسي.

إن جهود الاختزال القياسية تكون مكمِّلة لجهود الأكسدة القياسية:

جهد اختزال قياسي: V: جهد أكسدة قياسي: V:

في جهود الاختزال القياسية، نكتب المعادلة المناظِرة التي تتضمَّن النوع المُختزَل (مثل المعدن) على اليمين، والأنواع المؤكسَدة (مثل أيون الفلز) على اليسار. تظلُّ الإلكترونات دائمًا في الطرف الأيسر.

إذا عكسنا هذا الترتيب، فسنحصل على عملية الأكسَدة المُكافئة. وجهود الأكسدة القياسية هي العكس من جهود الاختزال القياسية؛ لذا نتحدَّث عادة عن نوع واحد فقط، جهد الاختزال القياسي.

إذا عرفنا جهد الاختزال القياسي لخلية نصفية، فسيُمكننا توصيلُها بخلايا نصفية أخرى، وتوقُّع ما سيكون عليه جهد الخلية إذا ما وصَّلنا خليتين نصفيتين مختلفتين.

دعونا نفترض أننا نوصِّل خليتين نصفيتين من النحاس والزنك معًا.

يوضِّح الجدول الآتي جهود الاختزال القياسية المناظِرة.

جهد الاختزال القياسي للنحاس موجب (يميل النحاس إلى أن يُختزَل بصورة أكبر من الهيدروجين).

وجهد الاختزال القياسي للزنك سالب (يميل الزنك إلى أن يُختزَل بصورة أقلَّ من الهيدروجين).

يجب أن يكون ما يَحدُث عند توصيل هاتين الخليتين النصفيتين معًا واضحًا. إذا كان جهد الاختزال القياسي للنحاس أكبر من الهيدروجين، وكان جهد الاختزال القياسي للهيدروجين أكبر من الزنك، فسيكون جهد الاختزال القياسي للنحاس أكبر من الزنك.

وعليه ستتدفَّق الإلكترونات من خلية الزنك النصفية (المصعد) إلى خلية النحاس النصفية (المهبط) عند توصيلهما معًا.

وبما أن الإلكترونات تتدفَّق إلى خلية النحاس النصفية، فإننا نعتبرها «موجبة أكثر»، ونُعطيها الرمز . ولا يجب بالضرورة أن تحمل الخلية النصفية شحنة موجبة صافية؛ حيث إنها مجرد طريقة لتمييزها حتى يُمكننا تذكُّر في أيِّ اتجاه تتدفَّق الإلكترونات.

والآن علينا أن نعكس إحدى المعادلتين: سيَحدُث تفاعُل الاختزال في خلية النحاس النصفية، وعليه لا بدَّ أن يَحدُث تفاعُل الأكسَدة في خلية الزنك النصفية.

لحساب الجهد القياسي للخلية، ، يُمكننا استخدام الجهود القياسية للأقطاب.

يُمكنك التفكير في هذه العملية الحسابية بطريقتين مختلفتين:

جهد الخلية هو الفرق بين جهد اختزال خلية الاختزال النصفية وجهد اختزال خلية الأكسَدة النصفية.

ويكون جهد الخلية مجموع جهد اختزال خلية الاختزال النصفية (جانب المهبط) وجهد أكسَدة خلية الأكسَدة النصفية (جانب المصعد).

ولكن انتبه، تَستخدِم المصادرُ المختلفة طُرقَ ترميز مختلفة، وقد يُشير إلى جهد الأكسَدة أو جهد الاختزال لخلية نصفية حيث يَحدُث تفاعُل الأكسدة (جانب المصعد). فيما يأتي، نوضِّح الترميز المُستخدَم في هذه الحالة.

في هذا المثال، تبقَّى لنا الآتي:

تذكَّر أن:

إذا كان جهد الخلية موجبًا، يكون التفاعُل تلقائيًّا.

وإذا حصلنا على جهد خلية سالب، فهذا يُشير إلى أننا ربما كتبنا التفاعُلين بطريقة عكسية: فإذا عكسنا الاتجاه، لا بدَّ أن يكون جهد الخلية موجبًا.

دعونا نلخِّص العملية بالكامل:

1. حدِّد التفاعُلين اللذين يَحدُثان في الخليتين النصفيتين:
2. حدِّد الخلية النصفية التي لها جهد الاختزال الموجب الأكبر.
   إذا كنتَ تَستخدِم سلسلة قُوى دافعة كهربية تزداد فيها قِيَم جهود الاختزال من أعلى إلى أسفل، فإن العنصر الذي له أكبر جهد اختزال سيكون في الأسفل.

   العنصر	تفاعُل الاختزال	جهد الاختزال القياسي (V)
   الزنك
   النحاس

3. ستكون الخلية النصفية التي لها جهد الاختزال الموجب الأكبر هي جانب المهبط، وستكون الخلية النصفية الأخرى هي جانب المصعد. ولا بدَّ أن يكون تفاعُل الاختزال لجانب المصعد معكوسًا:
4. وجهد الخلية يساوي جهد الاختزال لجانب المهبط ناقص جهد الاختزال لجانب المصعد:

بعد ذلك، سوف نتناول بعض الطُّرق السريعة لإجراء ذلك.

إذا نظرنا مرَّة أخرى إلى السلسلة الكهروكيميائية، يُمكننا أن نلاحِظ أن النحاس له جهد اختزال قياسي موجب أكثر من الزنك. وعليه نعلم أننا إذا وصَّلنا بين خلية نصفية من الزنك وخلية نصفية من النحاس، ستكون خلية النحاس النصفية هي خلية الاختزال النصفية (أيونات ستُختزَل لتكوين النحاس على المهبط النحاسي).

إذا كتبنا ترميز الخلية، فسيكون من الأسهل كتابة خلية النحاس النصفية على اليمين:

بعد ذلك، نعكس اتجاه خلية الزنك النصفية (حتى تولِّد إلكترونات بدلًا من امتصاصها):

بهذه الطريقة، تتدفَّق الإلكترونات دائمًا من اليسار إلى اليمين، وهو ما يُطابِق كيفية كتابة المعادلات الكيميائية:

يُمكننا بعد ذلك دمج المعادلتين النصفيتين لنحصل على معادلة عامَّة للتفاعُل:

إذن تذكَّر: الاختزال يقع على اليمين.

دعونا نلخِّص ما تعلَّمناه عن حساب جهد الخلية القياسي لخلية جلفانية.