نسخة الفيديو النصية
باستخدام جهدي القطبين القياسيين الموضحين بالجدول، احسب جهد الخلية الكهروكيميائية الآتية، لأقرب ثلاث منازل عشرية.
في الخلية الكهروكيميائية، تتولد الإلكترونات في تفاعل أكسدة واختزال. يمكن أن يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال بشكل تلقائي أو غير تلقائي. فإذا كان يحدث تلقائيًّا، تكون الخلية خلية جلفانية. والخلية الموجودة في هذا السؤال خلية جلفانية. في الوقت الحالي، يمكننا اعتبار هذا الأمر حقيقة، لكننا سنتأكد من صحة ذلك بحساب جهد الخلية؛ حيث يكون جهد الخلية موجبًا إذا كان التفاعل يحدث تلقائيًّا.
تتكون الخلايا الجلفانية من نصفي خلية موصلين بسلك وقنطرة ملحية. تحدث الأكسدة في نصف واحد من نصفي الخلية. وهذا ينتج إلكترونات في الخلية، وهو ما يجعل هذا النصف هو القطب السالب. سنسمي هذا القطب المصعد. تنتقل الإلكترونات الناتجة عند المصعد عبر الدائرة الكهربية الخارجية إلى نصف الخلية الآخر. وستستخدم هذه الإلكترونات في تفاعل الاختزال. ونظرًا لأن الإلكترونات تستهلك في نصف الخلية هذا، فإن هذا هو القطب الموجب، الذي نسميه المهبط.
لتمثيل الخلية الكهروكيميائية بطريقة مناسبة، يمكننا استخدام رمز الخلية الاصطلاحي. في رمز الخلية الاصطلاحي، نجد المعلومات الخاصة بالمصعد على اليسار والمعلومات الخاصة بالمهبط على اليمين. يمثل الخط الرأسي المزدوج القنطرة الملحية. ويمثل الخط المنفرد حد الحالة، وهو يقع في هذه الحالة بين قطب الفلز الصلب ومحلول يحتوي على أيونات. لذا، قد تبدو الخلية بهذا الشكل. ونظرًا لأن الكادميوم يمثل المصعد، يتأكسد فلز الكادميوم، ويفقد إلكترونين لتكوين أيونات الكادميوم اثنين موجب. أما النيكل فيمثل المهبط. ومن ثم، ستختزل أيونات النيكل اثنين موجب، وتكتسب إلكترونين لتكوين نيكل صلب.
علينا حساب جهد هذه الخلية باستخدام جهدي القطبين القياسيين. تخبرنا جهود الأقطاب القياسية بفرق الجهد بين قطب الهيدروجين القياسي ونصف الخلية في ظروف قياسية محددة، وهي أن يكون تركيز المحلول واحد مولار، وضغط الغاز واحد ضغط جوي، ودرجة الحرارة 25 درجة سلزية. تخبرنا جهود الأقطاب القياسية أيضًا بميل نصف الخلية لاستقبال الإلكترونات. ويشير جهد القطب القياسي ذو القيمة الموجبة الأكبر إلى ميل أكبر لاستقبال الإلكترونات.
نظرًا لأن الاختزال يتضمن اكتساب إلكترونات، فإن أنصاف الخلايا التي لها جهد قطب قياسي أعلى تكون احتمالية اختزالها أكبر. يمكننا أن نلاحظ أن نصف خلية النيكل له جهد قطب قياسي ذو قيمة موجبة أكبر مقارنة بقيمة جهد القطب القياسي لنصف خلية الكادميوم. لذا، من المنطقي أن يكون النيكل هو المهبط في هذه الخلية، والكادميوم هو المصعد.
يمكننا حساب جهد الخلية بطرح جهد القطب القياسي للمصعد من جهد القطب القياسي للمهبط. لاستخدام هذه الصيغة، يجب كتابة جهدي القطبين القياسيين بدلالة الاختزال الخاص بالمعادلة النصفية، وهما معطيان لدينا هنا في هذه الحالة. قد نرى أيضًا هذه المعادلة الخاصة بجهد الخلية مكتوبة بهذه الطريقة، التي نضيف فيها جهد القطب القياسي للمصعد، مكتوبًا بدلالة التأكسد. لكن هاتين المعادلتين متساويتان؛ لأن جهد القطب القياسي للاختزال هو نفسه جهد القطب القياسي للتأكسد، لكن بإشارة معاكسة.
الآن، دعونا نحسب جهد الخلية المذكورة في هذا السؤال. كما قلنا، النيكل يمثل المهبط. وجهد القطب القياسي لنصف خلية النيكل يساوي سالب 0.257 فولت. والكادميوم يمثل المصعد، وجهد القطب القياسي له يساوي سالب 0.4030 فولت. بإجراء العملية الحسابية، نحصل على موجب 0.146 فولت، وهو ناتج يحتوي بالفعل على ثلاث منازل عشرية كما هو مطلوب في السؤال. وكما نلاحظ، جهد الخلية موجب. لذا، يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال في هذه الخلية الكهروكيميائية تلقائيًّا.
إذن، باستخدام جهدي القطبين القياسيين لخلية الكادميوم والنيكل، وجدنا أن جهد الخلية يساوي موجب 0.146 فولت.