شارح الدرس: الخلايا الجلفانية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف الخلية الجلفانية، ونوضِّح كيفية قياس قِيَم .

عندما يُوضَع الفلز في محلول أيوناته، يحدث اتزان بين الفلز وأيوناته. على سبيل المثال، عند وضْع قطعة من فلز النحاس في محلول نيترات النحاس الثنائي، يحدُث اتزان بين ذرات فلز النحاس الصُّلب وأيونات في المحلول.

معادلة التفاعُل النصفي للاتزان هي:

تخيَّل أن لدينا كأسًا زجاجية أخرى تحتوي على فلز الزنك في حالة اتزان مع أيونات الزنك في المحلول. معادلة التفاعُل النصفي للاتزان هي:

يُمكننا أن نعتبر هذين الفلزين قطبين يُستخدَمان لنقل الشحنة من وإلى المحلول. عادة ما تُصنَع الأقطاب من الفلزات، ولكنْ أحيانًا تُصنَع من اللافلزات مثل الجرافيت. ويُمكن أيضًا أن ينقل القطبان الإلكترونات من وإلى الدائرة، لكنْ في الأشكال السابقة، لا تُوجَد دوائر كاملة. سنناقِش لاحقًا كيفية سريان الإلكترونات من وإلى الأقطاب في الدائرة.

يُمكن أن يُطلَق على الكأسين في الشكلين الموضَّحين بالأعلى أنصاف خلايا. ونصف الخلية يتكوَّن من قطب يحتوي على أيونات.

وتُسمَّى هذه المحاليل إلكتروليتات؛ لأنها يُمكن أن توصِّل شحنة كهربية بسبب وجود أيونات تتحرَّك بحُرِّية.

مثال ١: تحديد الشكل الذي يمثِّل الاتزان بين فلز وأيوناته في المحلول

أيُّ الأشكال الآتية يُصوِّر الاتزان الموجود بين قطعة من فلز الزنك تُلامِس محلولًا مائيًّا من أيونات الزنك؟

الحل

تُطلَق ذرات الزنك الموجودة على قطعة الزنك الصُّلبة في المحلول في صورة أيونات ، تاركةً إلكترونَيِ التكافؤ على فلز الزنك الصُّلب. وفي الوقت نفسه، أيونات الموجودة في المحلول تترسَّب على فلز الزنك الصُّلب عن طريق اكتساب إلكترونين من الفلز الصُّلب. فيحدث كلٌّ من التفاعُل الأمامي والخلفي معًا في الوقت نفسه:

لذا فإن الخيار (ج) هو الإجابة الصحيحة.

يُمكننا توصيل القطبين الفلزيين، وهما النحاس والزنك، باستخدام أسلاك وفولتميتر ذي مقاومة عالية. بعد ذلك، يُمكننا إكمال الدائرة عن طريق توصيل محلولَي نصفَي الخليتين باستخدام قنطرة ملحية. يوضِّح الشكل تركيب دائرة كاملة.

تُصنَع القنطرة الملحية، التي تربط بين المحلولين، من أنبوب زجاجي على شكل حرف U. ويُملَأ هذا الأنبوب بمحلول أيوني، مثل نيترات البوتاسيوم. ويُمكن لهذه الأيونات أن تتحرَّك، لتُكمِل الدائرة.

سيُسجِّل الفولتميتر أقصى فرق جهد مُمكِن، يُعرَف أيضًا باسم القوة الدافعة الكهربية، بين الفلزين. هذا لأن النحاس والزنك لهما جهد مختلف لتكوين الأيونات في محلول؛ أيْ جهد تأكسُد مختلف. فالزنك يتأكسَد بسهولة أكبر من النحاس. والعكس صحيح أيضًا؛ إذْ يُمكن اختزال النحاس بسهولة أكبر من الزنك. يمنع الفولتميتر ذو المقاومة العالية سريان التيار، بسبب مقاومته العالية، لكنَّه سيَقِيس فرق الجهد بين القطبين المختلفين.

وفرق الجهد هذا هو الذي يحفِّز التفاعُلات ويولِّد الطاقة الكهربية في البطاريات. إذا حلَّ مكوِّن آخَر في الدائرة محلَّ الفولتميتر، على سبيل المثال، مصباح كهربي، فسيَعمَل نصفا الخليتين باعتبارهما خلية؛ والبطارية، كما نعرف، عدَّة خلايا متَّصِلة معًا. ويحدث تفاعُل أكسدة واختزال تلقائي في نصفَي الخليتين. ويُحوِّل التفاعُل الطاقةَ الكيميائيةَ إلى طاقة كهربية، ويتسبَّب في سريان التيار في السلك، وإضاءة المصباح الكهربي. وهذا مثال على الخلية الكهروكيميائية.

الخلية الكهروكيميائية التي تخضع لتفاعُل كيميائي تلقائي تُسمَّى الخلية الجلفانية أو الخلية الفولتية. وفي الخلية الجلفانية، يُحوِّل تفاعُل الأكسدة والاختزال الطاقةَ الكيميائيةَ إلى طاقة كهربية.

تُحوِّل الخلية الجلفانية:

ويُوجَد نوع آخَر من الخلايا الكهروكيميائية تُسمَّى خلية إلكتروليتية. في الخلية الإلكتروليتية، يجب توفير طاقة كهربية لتحفيز تفاعُل كيميائي غير تلقائي.

تُحوِّل الخلية الإلكتروليتية:

سنناقش الخلايا الإلكتروليتية بمزيد من التفاصيل في شارح آخَر.

لننظر بتعمُّق إلى كيفية توليد الخلية الجلفانية للزنك والنحاس، المتَّصِلة بمصباح كهربي، تيارًا كهربيًّا في السلك. تذكَّر أن فرق الجهد بين القطبين هو القوة الدافعة، ولأن أكسدة الزنك أسهل من أكسدة النحاس، فإن ذرات الزنك في المصعد ستَمنَح إلكترونات التكافؤ الخاصة بها في السلك الموصِّل. لذا تحدث أكسدة عند قطب الزنك. نُسمِّي هذا القطب المصعد. وتنتقل هذه الإلكترونات إلى مهبط النحاس. تُطلَق أيونات الموجودة عند المصعد إلى المحلول، وهو ما يزيد تركيز أيونات في نصف خلية الزنك. ستجذب الإلكترونات التي تدخل المهبط أيونات في المحلول في نصف خلية النحاس. ومن ثَمَّ، يحدث اختزال عند قطب النحاس، ونُسمِّي هذا القطب المهبط. وكل أيون من أيونات سيكتسب إلكترونين، وسيترسَّب على المهبط. بهذه الطريقة، تتدفَّق الشحنة السالبة عبر السلك من نصف خلية إلى نصف خلية .

هيَّا نُعِدْ كتابة التفاعُلين النصفيين اللذين يوضِّحان كلًّا من الاختزال والأكسدة:

التفاعُل الكلي لهذه الخلية الكهروكيميائية هو:

الأيونات السالبة في المحلول (في هذه الحالة، أيونات ) تُكمِل هذا السريان بالتحرُّك عبر القنطرة الملحية. من المُهِمِّ أن نستخدِم المحلول الصحيح في القنطرة الملحية. لا تتفاعَل أيونات البوتاسيوم وأيونات النيترات في القنطرة الملحية مع المحلول ولا تترسَّب.

سيستمرُّ تدفُّق التيار طالما أن هناك تفاعُلًا يحدث. وسيتوقَّف التفاعُل ويتوقَّف تدفُّق التيار عندما يتحوَّل كلُّ فلز الزنك إلى أيونات في المحلول، أو عند عدم وجود أيِّ أيونات نحاس أخرى في المحلول؛ لأن جميعها قد ترسَّبت على المهبط.

إن رسم شكل كبير لخلية كهروكيميائية كاملة يَستغرِق وقتًا طويلًا وغير مُجدٍ. هناك طريقة أكثر سهولة لتمثيل المعلومات المتعلِّقة بالخلية الكهروكيميائية، وهي استخدام رمز الخلية الاصطلاحي. ها هو رمز الخلية الاصطلاحي للخلية الجلفانية للزنك والنحاس:

تُكتَب المعلومات الخاصة بالمصعد في الطرف الأيسر. نبدأ بكتابة رمز قطب الفلز متبوعًا بخط رأسي. يمثِّل هذا الخط الرأسي حدَّ الحالة. بعد ذلك، نكتب رمز وشحنة الأيون المناظِر في المحلول في خلية المصعد النصفية. في بعض الأحيان، يُكتَب تركيز المحلول داخل قوسين. والخط الرأسي المزدوج يمثِّل القنطرة الملحية التي تَصِل بين نصفَي الخليتين. بعد ذلك، تُكتَب المعلومات الخاصة بالمهبط في الطرف الأيمن، وبالتحديد أيون الفلز الموجود في المحلول، متبوعًا بخطٍّ رأسي يمثِّل حدَّ الحالة، ثم رمز عنصر المهبط. ولا يُضمَّن الأيون المتفرِّج في رمز الخلية الاصطلاحي. يُحَدَّد تركيز المحلول، و1 M هو التركيز القياسي.

هناك العديد من أنواع أنصاف الخلايا. بعضُها يحتوي على عناصر رديئة التوصيل، مثل اللافلزات، في صورة أنواع مؤكسَدة أو مختزَلة. إذن يُمكن استخدام قطب خامل، مثل: الذهب أو البلاتين أو الجرافيت، لتوصيل الإلكترونات في الدائرة. في البطارية الكهروكيميائية الآتية، يتأكسَد المغنيسيوم عند المصعد، ويتكوَّن المهبط من قطب من البلاتين الخامل، لكن غاز الهيدروجين هو الذي يُختزَل في تفاعُل الأكسدة والاختزال:

في بعض الأحيان، لا يحدث الاختزال أو الأكسدة في نصف الخلية بين الفلز وأيوناته، بل بين الأيونات. على سبيل المثال، يُمكن اختزال إلى باستخدام قطب من البلاتين. تفاعُل الاختزال هو:

يعتمد فرق الجهد بين نصفَي خليتين مختلفين على تركيب كلِّ واحد منهما. فكلما زادت تفاعُلية العنصر، زاد فرق الجهد. من الصعب المقارنة بين الفلزات المختلفة فيما يتعلَّق بالأكسدة والاختزال في الوقت نفسه. ولهذا السبب، نقارن بين جهد اختزال الفلزات. بعبارة أخرى، نقارن سهولة اختزال الفلز. وبهذه الطريقة، يُمكننا الحصول على مقارنة مُفيدة بين جهود أنصاف الخلايا المختلفة. نحن نتحدَّث عن «جهد الاختزال» للقطب أو «جهد القطب»، .

يتأثَّر جهد القطب بدرجة الحرارة والضغط وتركيز المحلول الذي يُغمَر فيه. تُجرَى المقارنة بين جهود الاختزال للأقطاب المختلفة في ظلِّ مجموعة من الظروف القياسية للحصول على «جهود الاختزال القياسية» (وتُعرَف أيضًا باسم جهود الأقطاب القياسية). الظروف القياسية هي ضغط يساوي 1 atm، ودرجة حرارة تساوي ، وتركيز يساوي 1 mol/L. يجب استخدام الظروف القياسية حتى يُمكننا المقارنة بين الأقطاب من الناحية الكمية.

يُستخدَم قطب الهيدروجين القياسي، SHE، قطبًا مرجعيًّا تُقاس جهود اختزال الأقطاب الأخرى بالنسبة إليه. ترميز نصف الخلية لـ SHE هو: والشكل الآتي يوضِّح تركيبه. فهو يتكوَّن من قطب من البلاتين أو قطب خامل آخَر في أنبوب زجاجي تمرُّ به فقاعات غاز الهيدروجين عند ضغط يساوي 1 atm. يُغمَر SHE في محلول يحتوي على أيونات الهيدروجين، ، تركيزه 1 mol/L، ومصدره الحمضي يكون إمَّا حمض الهيدروكلوريك وإمَّا حمض الكبريتيك. يظلُّ النظام بأكمله عند درجة حرارة . قيمة جهد الاختزال، ، لـ SHE تساوي 0.00 V، وتُقاس جميع جهود الاختزال الأخرى بالنسبة إلى هذه القيمة.

عند استخدام SHE لتحديد لقطب آخَر، يكون الفولتميتر فولتميترًا ذا مقاومة عالية. وهذا ضروري لمنْع سريان التيار عبر الفولتميتر أثناء القياس. فإذا تدفَّق التيار عبر الفولتميتر، فسيقلُّ فرق الجهد، وتكون القراءة غير دقيقة.

ويُمكن أن يعمل SHE بمثابة مهبط أو مصعد، بناء على تفاعُلية القطب الآخَر. عندما يعمل SHE بمثابة مهبط (في دائرة مع قطب أكثر تفاعُلية)، يكون تفاعُله النصفي:

أمَّا إذا كان SHE يعمل بمثابة مصعد (في دائرة مع قطب أقلَّ تفاعُلية)، يكون تفاعُله النصفي:

يُمكن إيجاد قِيَم للعديد من الفلزات والمواد الأخرى في جدول مرجعي مُفيد يُسمَّى السلسلة الكهروكيميائية. إن السلسلة الكهروكيميائية وكيفية استخدامها مذكور بالتفصيل في شارح آخَر.

هيَّا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.