فيديو السؤال: جمع معادلات للحصول على التفاعل الكلي لخلية الوقود الهيدروجينية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

يمكن تشغيل خلية الوقود الهيدروجينية في ظروف معينة. لكن التفاعل الكلي للهيدروجين الذي يتحد مع الأكسجين لتكوين الماء يظل ثابتًا بخلاف هذه الظروف. انظر المعادلات الآتية. أ: نصف ‪O2‬‏ الغاز زائد ‪H2O‬‏ الغاز زائد اثنين ‪e−‬ تكون اثنين ‪OH−‬ مائي. ب: ‪H2‬‏ الغاز يكون اثنين ‪H+‬‏ مائي زائد اثنين ‪e−‬. ج: نصف ‪O2‬‏ الغاز زائد اثنين ‪H+‬‏ مائي زائد اثنين ‪e−‬ تكون ‪H2O‬‏ الغاز. د: ‪H2‬‏ الغاز زائد اثنين ‪OH−‬ مائي يكونان اثنين ‪H2O‬‏ الغاز زائد اثنين ‪e−‬. أي معادلتين يمكن الربط بينهما؛ بحيث تعطيان عند جمعهما التفاعل الكلي لخلية الوقود الهيدروجينية؟ أ: المعادلتان أ، د والمعادلتان ب، ج، ب: المعادلتان أ، ب والمعادلتان ج، د، ج: المعادلتان أ، ج والمعادلتان ب، د.

خلية الوقود الهيدروجينية نوع من الخلايا الجلفانية الأولية. وهي تستخدم متفاعلات قابلة لإعادة الملء لإجراء تفاعلات الأكسدة والاختزال، التي تولد تدفقًا من الإلكترونات التي يمكن استخدامها لتشغيل الأجهزة الإلكترونية. لفهم التفاعلات التي تحدث داخل خلية الوقود الهيدروجينية فهمًا جيدًا، من المفيد أن نفهم تركيب الخلية وكيفية تدفق الإلكترونات داخلها.

تتكون خلية الوقود الهيدروجينية المعتادة من مصعد ومهبط. ويكونان عادة على هيئة وعائين مجوفين مبطنين بكربون مسامي. يسمح الكربون المسامي بالاتصال بين الحجرة الداخلية ومحلول الإلكتروليت الموجود بداخلها. عادة ما يكون محلول الإلكتروليت محلولًا مائيًّا من هيدروكسيد البوتاسيوم أو محلولًا حمضيًّا من حمض الكبريتيك.

كما نلاحظ في الشكل، يتمكن كل من الهيدروجين والأكسجين الواردين من المرور عبر الطبقات المسامية إلى داخل الخلية للتفاعل تلقائيًّا مع الإلكتروليت. وهذا بدوره ينتج الإلكترونات التي يمكنها توليد التيار الكهربي. تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية هذه هي التي تسمح للخلايا الجلفانية بتوليد طاقتها.

تفاعلات الأكسدة والاختزال تفاعلات كيميائية تتضمن انتقال الإلكترونات من نوع إلى آخر. في تفاعل الأكسدة والاختزال، يفقد أحد الأنواع إلكترونات ويتأكسد، ويكتسب نوع آخر إلكترونات ويختزل. في حالة خلية الوقود الهيدروجينية التي لدينا، يتأكسد غاز الهيدروجين، في حين يختزل غاز الأكسجين. يسهل كل من المصعد والمهبط نوعًا مختلفًا من تفاعلات الأكسدة والاختزال. وكما هي الحال مع جميع الخلايا الكهروكيميائية، سيحدث تفاعل أكسدة نصفي عند المصعد، في حين يحدث تفاعل اختزال نصفي عند المهبط.

دعونا نفرغ بعض المساحة ونرى كيف يمكن تتبع تدفق الإلكترونات في معادلتين نصفيتين منفصلتين تحدثان داخل الخلية، واللتين تتحدان لإنتاج تفاعل الأكسدة والاختزال الكلي. عند المصعد، يمد النظام بغاز الهيدروجين ويفقد الإلكترونات. وهذا يكون أيونات الهيدروجين التي تتفاعل مع أيونات الهيدروكسيد الموجودة في الإلكتروليت لتكوين جزيئات الماء، وهي في الواقع نواتج المخلفات لخلية الوقود هذه. عند المهبط، يختزل غاز الأكسجين عن طريق الماء والإلكترونات المكونين حديثًا لتكوين أيونات الهيدروكسيد. يعتبر كل من هذين التفاعلين شكلًا من أشكال المعادلات النصفية؛ ما يعني أنه عند جمعهما معًا، فإنهما يكونان تفاعل أكسدة واختزال كاملًا. إذن، يمكننا جمع المعادلتين.

بعد ذلك، يمكننا حذف الحدود المتشابهة الموجودة في كلا طرفي المعادلة. توضح المعادلة الكلية أن خلية الوقود الهيدروجينية تستقبل كلًّا من الهيدروجين والأكسجين وتنتج الماء باعتباره ناتجًا. وخلال هذه العملية، ينتج تيار كهربي.

إذا قارنا هاتين المعادلتين النصفيتين بالمعادلات من أ إلى د، نلاحظ أنهما تطابقان المعادلتين د، أ. وإذا استرجعنا الجزء الثاني من السؤال، سنجد أن الجمع بين المعادلتين الذي توصلنا إليه سيعطي التفاعل الكلي لخلية الوقود الهيدروجينية عند جمع أ، د، وهو موضح في الخيار أ. إذن، يمكننا القول إن الخيار أ الإجابة الصحيحة لهذا السؤال. لكن لإكمال الحل، دعونا نلق نظرة على جمع المعادلتين ب، ج.

لكي نجمع المعادلتين، يجب أن يكون تفاعل إحداهما تفاعل أكسدة؛ عند الطرف الذي يمثل المصعد، وتفاعل الأخرى تفاعل اختزال؛ عند الطرف الذي يمثل المهبط. لا بد أن يحدث بينهما توازن، وأن تكونا معادلة خلية وقود هيدروجينية كلية. من الواضح أن المعادلتين ب، ج تحققان هذا الشرط. ومن ثم، فإن المعادلتين اللتين يمكن الربط بينهما؛ بحيث تعطيان عند جمعهما التفاعل الكلي لخلية وقود هيدروجينية هما المعادلتان أ، د والمعادلتان ب، ج، أي الخيار أ.