فيديو الدرس: جهد الخلية الكهروكيميائية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نحسب جهد الخلية القياسي لخلية جلفانية باستخدام قيم من السلسلة الكهروكيميائية. دعونا نبدأ بملخص سريع عن الخلايا الجلفانية، وكذلك عن رموز الخلية الخاصة بها. وسوف نستخدم خلية الزنك والنحاس مثالًا.

الخلية الجلفانية أو الفولتية نوع من أنواع الخلايا الكهروكيميائية. ويوضح الشكل تركيب هذا النوع من الخلايا. يحدث تفاعل أكسدة واختزال تلقائي، وهو ما يتسبب في تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية، ويسري تيار كهربي عبر السلك. تحدث عملية الأكسدة في خلية الزنك النصفية. وتطلق أيونات الزنك اثنين موجب في المحلول من المصعد. وتنتقل إلكترونات التكافؤ من هذه الأيونات عبر السلك إلى قطب النحاس؛ أي المهبط. وتحدث عملية الاختزال في الخلية النصفية هذه. فتجذب الإلكترونات، التي تدخل المهبط، أيونات النحاس اثنين موجب في المحلول. وتخرج أيونات النحاس من المحلول، وتنضب أو تترسب على هذا القطب. وتكتمل الدائرة من خلال قنطرة ملحية أو غشاء مسامي. رمز هذه الخلية هو ‪Zn‬‏ الصلب؛ ‪Zn2+‬‏ المائي، مولار واحد؛ ‪Cu2+‬‏ المائي، مولار واحد؛ ‪Cu‬‏ الصلب.

تكتب معلومات المصعد في الطرف الأيسر، وتكتب معلومات المهبط في الطرف الأيمن، ويمثل الخط المزدوج القنطرة الملحية بين الخليتين النصفيتين. عندما تساوي تركيزات المحاليل الإلكتروليتية في البداية مولًا واحدًا لكل ‪dm‬‏ تكعيب أو مولارًا واحدًا، وعندما يساوي ضغط الهواء ضغطًا جويًّا واحدًا ودرجة الحرارة 25 درجة سلزية، فإننا نسمي هذه الخلية خلية قياسية. ولا ندرج الأيونات المتفرجة، وهي في هذه الحالة أيونات الكبريتات، في رمز الخلية لأنها لا تشترك في التفاعل.

يرجع السبب في سريان الشحنة تلقائيًّا في خلية جلفانية إلى وجود فرق جهد بين القطبين. إننا نتحدث تحديدًا عن جهد اختزال كل قطب. في هذا المثال، يمكن اختزال قطب النحاس بشكل أسهل من قطب الزنك. نقول إن النحاس له جهد اختزال أكبر من الزنك، ولهذا السبب يختزل النحاس ويتأكسد الزنك. حددت جهود اختزال فلزات مختلفة ومواد أخرى. وأدرجت هذه القيم في جدول مفيد يسمى السلسلة الكهروكيميائية أو سلسلة القوة الدافعة الكهربية. دعونا نلق نظرة عليها.

السلسلة الكهروكيميائية قائمة طويلة إلى حد ما؛ ولذا لم أعرض سوى أجزاء معينة منها. يقع اختزال الليثيوم بالقرب من أعلى القائمة، واختزال الفلورين بالقرب من أسفلها، وهذا الجزء في مكان ما في وسطها. وهناك معادلات أخرى لا تتسع الشاشة لعرضها. توضح السلسلة جهود أقطاب الفلزات والمواد الأخرى بوحدة الفولت. وتكون قيم الجهد هذه وفقًا للظروف القياسية. أكرر مرة أخرى أن هذه الظروف تعني أن تركيزات المحاليل الإلكتروليتية تساوي مولارًا واحدًا، والضغط يساوي ضغطًا جويًّا واحدًا، ودرجة الحرارة تساوي 25 درجة سلزية.

المواد مدرجة في هذه القائمة وفقًا لترتيب زيادة الجهد. فالقيم السالبة الكبيرة تشير إلى عوامل مختزلة قوية، ومن ثم فإن فلز الليثيوم عامل مختزل قوي. بينما تشير القيم الموجبة الكبيرة إلى عوامل مختزلة ضعيفة، إذن أيون الفلوريد عامل مختزل ضعيف مقارنة بالليثيوم، وفي الواقع، مقارنة بجميع المواد التي تقع بالجدول السابق. يحدث عكس ذلك في الوقت نفسه في الطرف الأيسر من الجدول. فالعوامل المؤكسدة القوية تقع في أسفل القائمة، والعوامل المؤكسدة الضعيفة في الأعلى. في بعض الأحيان، نجد السلسلة الكهروكيميائية مكتوبة بشكل مقلوب؛ حيث تقع جهود الاختزال القياسية السالبة الكبيرة في الأسفل، والقيم الموجبة في الأعلى. ومع ذلك، فإنه في أغلب الأحيان نراها مكتوبة على النحو الذي يظهر هنا.

هل لاحظت بعض الأنماط؟ كلما ارتفعنا إلى أعلى السلسلة، تزداد قدرة المواد على الاختزال، وكلما هبطنا إلى أسفل السلسلة تزداد قدرة المواد على الأكسدة. لاحظ أن جميع جهود الأقطاب تكتب في صورة جهود اختزال، وهذا هو السبب في أن جميع التفاعلات النصفية تكتب في صورة اختزال مع كتابة الإلكترونات على الطرف الأيسر من الأسهم. من المهم أن نلتزم بهذه الطريقة حتى يمكننا المقارنة بين جهود الأقطاب. لا يمكننا المقارنة بين جهد الاختزال القياسي لعنصر ما وجهد الأكسدة القياسي لعنصر آخر. فسيصبح الأمر محيرًا.

لذا اعتدنا في العلوم أن نستخدم جميعًا جهود اختزال قياسية في جميع أنحاء العالم لكي يفهم بعضنا بعضًا. لاحظ أن قطب الهيدروجين المرجعي قيمته 0.00 فولت. وتقاس جميع الأقطاب الأخرى بالنسبة إليه حتى تكون لقيمها معنى عند المقارنة بينها. لاحظ أيضًا أن جميع التفاعلات النصفية هذه مكتوبة بأسهم اتزان. رمز جهد الاختزال هو حرف ‪𝐸‬‏ الكبير، وجهد الاختزال القياسي يجب أن يكون له رمز بليمسول علوي. يشبه رمز البليمسول رمز الدرجة مع رسم خط أفقي يمر من خلاله. ولكن في بعض الأحيان، قد نجد في بعض المصادر أن هذا الخط الأفقي غير مرسوم في رمز البليمسول.

كيف تفيدنا السلسلة الكهروكيميائية؟ إذا عرفنا الخليتين النصفيتين المستخدمتين في خلية كهروكيميائية، فسيساعدنا الجدول في تحديد اتجاه تدفق الإلكترونات في السلك؛ ومن ثم تحديد أي خلية نصفية تكون المهبط وأيهما تكون المصعد. دعونا نتناول مثالًا على ذلك.

دعونا نستخدم المثال السابق، خلية الزنك والنحاس. إذا كان النظام في ظروف قياسية، فيمكننا استخدام السلسلة الكهروكيميائية لتحديد اتجاه تدفق الإلكترونات في السلك، وبناء على ذلك، يمكننا معرفة أي خلية نصفية هي المصعد؛ حيث يحدث تفاعل الأكسدة، وأيهما هي المهبط؛ حيث يحدث تفاعل الاختزال. أولًا: علينا إيجاد العنصرين الموجودين في النظام لدينا وهما، في هذه الحالة، النحاس والزنك. بعد ذلك، علينا فحص السلسلة الكهروكيميائية وإيجاد التفاعلات النصفية لكل منهما، وهي على هذا النحو.

في السلسلة الكهروكيميائية، توجد تفاعلات أخرى بين هذين التفاعلين، ويكونان ضمن تفاعلات نصفية أخرى. كتبنا هنا التفاعلين اللذين نتعامل معهما فقط. في الخلية الجلفانية، يعتبر القطب ذو الجهد الأكبر أو الذي قيمته موجبة أكثر هو المهبط. عندما نقارن بين جهدي الاختزال هذين، يمكننا ملاحظة أن قيمة جهد النحاس أكبر وموجبة أكثر. إذن فإن قطب النحاس هو المهبط. ونعلم أنه كلما زاد جهد الاختزال أو زادت قيمته الموجبة، كان اختزال المادة أسهل. والعكس صحيح، يعتبر القطب ذو الجهد الأقل أو الذي يحمل شحنة سالبة أكثر هو المصعد. بعبارة أخرى، كلما قل جهد الاختزال أو زادت قيمته السالبة، قلت احتمالية اختزال القطب، وزادت احتمالية تأكسده.

والآن أصبحنا قادرين على اكتشاف اتجاه تدفق الإلكترونات في السلك. إذ ستتدفق الإلكترونات من المصعد، وهو ما يتسبب في أكسدته، إلى المهبط، وهو ما يؤدي إلى اختزاله. توصلنا إلى هذه المعلومات الثلاث فقط بفحص السلسلة الكهروكيميائية. يمنح الزنك إلكترونات إلى السلك، بينما يستقبل النحاس إلكترونات من السلك. إذن عند المقارنة بين القيم النسبية لجهدي القطبين، يمكننا أن نحدد أيهما تفاعل الأكسدة وأيهما تفاعل الاختزال.

هناك طريقة أخرى لمعرفة أيهما تفاعل الأكسدة وأيهما تفاعل الاختزال. ولكن يجب توخي الحذر عند استخدام الطريقة الثانية. تشبه الأسهم الوردية القوس المربع. وتخبرنا بأن المعادلة العلوية، أي معادلة الزنك، يجب أن تقرأ من اليمين إلى اليسار. بعبارة أخرى: يتأكسد الزنك من الزنك الصلب إلى أيونات الزنك اثنين موجب. وتخبرنا بأن المعادلة السفلية، وهي معادلة النحاس، يجب أن تقرأ من اليسار إلى اليمين، كما هو مكتوب. فتختزل أيونات النحاس اثنين موجب إلى فلز النحاس الصلب. أكرر مرة أخرى أن المعادلة العلوية مقلوبة من اليسار إلى اليمين، والمعادلة السفلية متروكة كما هي. والآن انتبه! لا تصلح هذه الطريقة إلا إذا كتبت جهود الاختزال السالبة أكثر في الجزء العلوي من القائمة، والموجبة أكثر في الأسفل.

والآن بعد أن انتهينا من كتابة المعادلتين النصفيتين في الاتجاه الصحيح، يمكننا إيجاد التفاعل الكلي. يحذف الإلكترونان على اليسار مع الإلكترونين على اليمين. بعد ذلك، يمكننا جمع التفاعلين النصفيين لنحصل على المعادلة الكلية. والآن دعونا نستخدم قيمتي جهدي القطبين لإيجاد قيمة جهد الخلية الكلي. ويمكننا حساب جهد الخلية القياسي أو فرق الجهد بين القطبين القياسيين باستخدام هذه المعادلة. جهد الخلية القياسي يساوي جهد الاختزال القياسي للمهبط ناقص جهد الاختزال القياسي للمصعد.

‏‪𝐸‬‏ للخلية أو ‪emf‬‏ هي القوة الدافعة الكهربية. والقوة الدافعة الكهربية هي أقصى فرق جهد بين القطبين، الذي يحدث عند بداية التفاعل. وبمرور الوقت، ومع استمرار تفاعل الأكسدة والاختزال، تقل هذه القيمة. والآن دعونا نحسب هذه القيمة لخلية الزنك والنحاس. نأخذ قيمة مهبط النحاس، ثم نطرح منها قيمة مصعد الزنك، ومن ثم نحصل على ناتج يساوي 1.10 فولت لهذه الخلية الكهروكيميائية. تخبرنا الإجابة الموجبة بأن هذا التفاعل ممكن؛ وهو ما يعني أن التفاعل سيحدث تلقائيًّا من دون أن نضطر إلى إضافة طاقة إلى النظام لتحث على حدوث التفاعل.

ماذا سيحدث إذا بدلنا هاتين القيمتين؟ سنحصل على سالب 1.10 فولت في الناتج. وهذا يعني أن التفاعل لا يمكن أن يحدث عندما يكون النحاس هو المصعد، والزنك هو المهبط. بعبارة أخرى: لن يحدث الاختزال التلقائي للزنك بواسطة النحاس.

والآن حان وقت التدريب.

باستخدام جهود الأقطاب القياسية الواردة في الجدول الآتي، احسب جهد الخلية القياسي للخلية الجلفانية التي تتكون من الخلايا النصفية ‪Au3+/Au‬‏ و‪Ni2+/Ni‬‏. يعطينا الجدول معادلتين نصفيتين بالإضافة إلى الجهدين القياسيين لقطبيهما. ‏‪Au3+‬‏ المائي زائد ثلاثة إلكترونات يعطينا ‪Au‬‏ الصلب، وجهد القطب القياسي له يساوي 1.498 فولت. أما المعادلة النصفية الأخرى ‪Ni2+‬‏ المائي زائد إلكترونين، وهو ما يعطينا ‪Ni‬‏ الصلب، وجهد القطب القياسي يساوي سالب 0.257 فولت. خيارات الإجابة هي (أ) 1.241 فولت، (ب) 1.755 فولت، (ج) سالب 1.241 فولت، (د) سالب 1.755 فولت.

نعلم من المعطيات أن لدينا خلية جلفانية تحتوي على خليتين نصفيتين من الذهب والنيكل. يبدو تركيب الخلية بهذا الشكل. في الخلية الجلفانية، يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال تلقائيًّا، وهو ما ينتج عنه سريان تيار في السلك الواصل بين القطبين. ولكننا لا نعرف اتجاه سريان التيار الكهربي في هذه الخلية الجلفانية. والمطلوب منا حساب الجهد القياسي للخلية (𝐸 للخلية). الظروف القياسية هي: تركيزات محاليل إلكتروليتية تساوي مولارًا واحدًا، وضغط هواء يساوي ضغطًا جويًّا واحدًا، ودرجة حرارة تساوي 25 درجة سلزية. فرق الجهد القياسي (𝐸 للخلية) هو فرق الجهد بين القطبين في بداية التفاعل. وهو أقصى فرق جهد بين هذين القطبين، و‪𝐸‬‏ للخلية يساوي ‪𝐸‬‏ للمهبط ناقص ‪𝐸‬‏ للمصعد.

لدينا في هذه الحالة جهدا قطبين قياسيان للذهب والنيكل، ولكن أيهما المهبط وأيهما المصعد؟ إن جهدي القطبين القياسيين هذين هما في الواقع جهدا اختزال قياسيان. ولهذا السبب، نكتب المعادلتين النصفيتين في صورة تفاعلي اختزال مع وضع الإلكترونات في الطرف الأيسر من الأسهم. كلما زاد جهد الاختزال القياسي أو زادت قيمته الموجبة، زادت سهولة اختزال القطب. إن قيمة الذهب، التي تساوي 1.498 فولت، أكبر من قيمة النيكل التي تساوي سالب 0.257 فولت وتحمل قيمة موجبة أكثر، وهو ما يخبرنا بأن الذهب يمكن اختزاله بسهولة أكبر من النيكل. ومن ثم، سيكون الذهب المهبط، وسيكون النيكل المصعد.

والآن دعونا نعوض بالقيم التي لدينا في المعادلة. ‏‪𝐸‬‏ للخلية يساوي 1.498 فولت ناقص سالب 0.257 فولت. انتبه إلى هاتين الإشارتين السالبتين. وهذا يعطينا إجابة تساوي موجب 1.755 فولت. تخبرنا الإشارة الموجبة بأن تفاعل الذهب كمهبط والنيكل باعتباره مصعدًا ممكن، وأنه سيحدث تلقائيًّا. لكن ما نوع هذا التفاعل؟ إنه تفاعل كلي؛ حيث يختزل الذهب عند المهبط، ويتأكسد النيكل عند المصعد. وعليه، سيكون اتجاه تدفق الإلكترونات من قطب النيكل إلى قطب الذهب. طلب منا حساب جهد الخلية القياسي لخلية جلفانية من الذهب والنيكل، والإجابة هي 1.755 فولت.

دعونا نلخص ما تعلمناه. لقد استعرضنا باختصار تركيب الخلية الجلفانية ورمز الخلية باستخدام خلية الزنك والنحاس. على سبيل المثال، رأينا أن معلومات المصعد تكتب على اليسار ومعلومات المهبط تكتب على اليمين. تعلمنا أن الظروف القياسية هي ضغط يساوي ضغطًا جويًّا واحدًا، ودرجة حرارة تساوي 25 درجة سلزية، وتركيزات محاليل إلكتروليتية تساوي مولارًا واحدًا. بعد ذلك، ألقينا نظرة على السلسلة الكهروكيميائية، وهي قائمة تتضمن جهود الاختزال القياسية، وكذلك تفاعلات الاختزال النصفية الخاصة بها. ورأينا أن هذه المعلومات مدرجة وفقًا لترتيب زيادة الجهد، أو بعبارة أخرى: وفقًا لترتيب تزايد الجهد الذي يتعرض للاختزال أو سهولة الاختزال.

وأخيرًا: تعلمنا كيف نحسب جهد الخلية القياسي (𝐸 للخلية) أو القوة الدافعة الكهربية. والمعادلة هي ‪𝐸‬‏ للخلية يساوي ‪𝐸‬‏ للمهبط ناقص ‪𝐸‬‏ للمصعد؛ حيث يشير رمز بليمسول العلوي إلى الظروف والقيم القياسية مقارنة بقطب الهيدروجين القياسي. يمكننا تحديد أي قطب في الخلية الجلفانية هو المهبط وأي قطب هو المصعد. المهبط له جهد اختزال أكبر أو قيمته موجبة أكثر. وأخيرًا: تعلمنا أنه يمكن أن يكون لجهد الخلية القياسي قيمة موجبة أو سالبة، وأن القيمة الموجبة تشير إلى تفاعل أكسدة واختزال ممكن أو تلقائي.