إعداد : م. م. مهند حازم ناجي

1. مدخل الى الكيمياء الكهربائية إعداد : م. م. مهند حازم ناجي

2. تصوروا..... كيف تكون الحياة دون بطاريات ؟

3. بلا شك سيكون هناك الكثير من المعاناة........!

4. 1- المقدمة : • الكيمياء الكهربائية : فرع الكيمياء الذي يتعامل مع تطبيقات تفاعلات الاكسدة والاختزال حيث تظهر طاقة كهربائية بدلا من الحرارة . • تفاعلات الأكسدة والاختزال : هي التفاعلات التي يحدث فيهـــا انتقال للإلكترونـات من ذرة إلى أخرى بحيث يحدث تغيير في عدد أكسدة العناصر. • الخلايا الكهروكيميائية : هي عبارة عن جهاز يتم فيه تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية أو العكس . الخلايا الكهروكيميائية تنقسم إلى نوعين وهما : • أ ) الخلايا الكلفانية : حيث تتحول فيها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية ويكون فيها تفاعل الأكسدة والاختزال تلقائي . مثل : العمود الجاف ، بطارية الزئبق ، خلية الوقود . • ب ) الخلايا الالكتروليتية ( التحليلية ) : حيث تتحول فيها الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية ويكون فيها تفاعل الأكسدة والاختزال غير تلقائي . مثل خلية الطلاء الكهربائي .

5. - فكرة الخلايا الكلفانية : • عند غمس صفيحة خارصين في كأس به محلول كبريتات النحاس الزرقاء ووضع فولتميتر في المحلول يلاحظ الآتي : • تدريجيا يختفي اللون الأزرق لمحلول كبريتات النحاس . • تتجع مادة حمراء داكنة على لوح الخارصين وفي قعر الكأس . • ترتفع درجة حرارة المحلول بالكأس . • التفسير : • كاتيونات النحاس الموجودة بالمحلول اختزلت بواسطة ذرات الخارصين على النحو التالي : • إذن النحاس عامل مؤكسد وذلك لان كاتيونات النحاس اكتسبت الكترونات من الخارصين فتحولت تلك الكاتيونات إلى ذرات نحاس تترسب بقعر الكأس ولذلك يختفي اللون الأزرق تدريجياً . كما أن ذرات الخارصين تأكسدت بواسطة أيونات النحاس الثنائية فتحولت إلى أيونات الخارصين الثنائية كما يوضح التفاعل التالي :

6. وبذلك يكون الخارصين عامل مختزل أي أن الالكترونات التي فقدتها أيونات الخارصين هي نفس الالكترونات التي اكتسبتها أيونات النحاس . وبسبب انتقال الالكترونات من الخارصين الى النحاس تنتج طاقة حرارية تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المحلول . أما المادة الحمراء المترسبة في قعر الكأس فهي عبارة عن ذرات النحاس التي تكونت نتيجة اختزال كاتيونات النحاس الثنائية . • فكر العلماء في طريقة لتحويل الطاقة الحرارية الناتجة الى طاقة كهربائية ، وتوصلوا في النهاية إلى الحل الأمثل وهو عن طريق فصل العامل المؤكسد عن العامل المختزل بحيث تحدث عمليتي الأكسدة والاختزال في مكانين مختلفين ومنفصلين تماماً ثم يسمح للإلكترونات بالانتقال عبر وسيلة خارجية (موصل أو سلك معدني) من مكان حدوث عملية الأكسدة إلى مكان حدوث عملية الإختزال وبذلك نحصل على تيار كهربائي مستمر .

7. 3- مكونات الخلية الكلفانية . • لتحويل الطاقة الحرارية الناتجة من التفاعل السابق بين الخارصين وكبريتات النحاس إلى طاقة كهربائية يمكن تكوين خلية كلفانية مكونة من الآتي : • إناء بداخله صفيحة من الخارصين مغمورة جزئياً في محلول كبريتات الخارصين (يمثل أحد نصفي الخلية) تسمى قطب الخارصين. • إناء بداخله صفيحة من النحاس مغمورة جزئياً في محلول كبريتات النحاس (يمثل نصف الخلية الآخر) تسمى قطب النحاس . • يتم توصيل الصفيحتين (الخارصين والنحاس) بواسطة أسلاك معدنية إلى فولتميتر عالي المقاومة. • يوصل المحلولين بواسطة جسر ملحي وهو عبارة عن أنبوبة زجاجية على شكل حرف Ụ ولكن بشكل مقلوب ويحتوي على محلول الكتروليتي مركز من أي ملح مثل ( كلوريد الكالسيوم ، كبريتات الكالسيوم ، نترات الصوديوم ......الخ ) ومادة نفوذة (أي قابلة للنفاذ) من الهلام أو الآجار . يسمح الجسر الملحي بانتقال الأيونات بين نصفي الخلية لكنها لا تسمح بالتماس المباشر بين العامل المؤكسد والعامل المختزل وهذه تعتبر أهم وظيفة بالنسبة للجسر الملحي . • للتمييز بين قطبي الخلية ، فإن القطب الذي تحدث عنده عملية أكسدة يسمى ( المصعد أو الأنود ) والقطب الذي تحدث عنده عملية اختزال يسمى ( مهبط أو كاثود).

8. 4- نشوء التيار الكهربائي في الخلايا الكلفانية : يمكن توضيح ما يحدث داخل الخلية الكلفانية كما هو موضح بالرسم :

9. حركة مؤشر الفولتميتر تدل على أن الالكترونات سرت من قطب الخارصين إلى قطب النحاس ، كما أن قطب الخارصين تآكل تدريجياً وتراكمت مادة حمراء على قطب النحاس واللون الأزرق لكبريتات النحاس يخفت تدريجياً . • تمثل الخلية الكلفانية بالرمز الاصطلاحي التالي : • Zn / Zn2+ // Cu2+/ Cu • حيث يكتب نصف تفاعل الأكسدة أولاً ( إلى اليسار ) ثم تمثل الجسر الملحي بالخطين ( // ) ثم يكتب نصف تفاعل الاختزال ( إلى اليمين ) دون أن تكتب الالكترونات المفقودة أو المكتسبة . • ملاحظة : إذا كان عدد الالكترونات غير متساوي في نصفي التفاعل يجب مساواتهما عن طريق الضرب التبادلي ( كما في وزن المعادلات ) . • تمرين : وضح ما يحدث في خلية كلفانية مكونة من قطب الألومنيوم مغمور في محلول نترات الألومنيوم وقطب نحاس مغمور في محلول نترات نحاس .

11. 5- فكرة الخلايا الالكتروليتية ( التحليلية ) : يمكن معرفة عمل هذا النوع من الخلايا من خلال مقارنتها مع الخلايا الكلفانية :

12. 6- الطلاء الكهربائي : • وهو عملية الكتروليتية يختزل فيها ايون فلزي ويترسب خلالها فلز صلب على سطح معين . وتتكون الخلية من : • قطعة من فلز الطلاء توصل بالقطب الموجب المصعد (الفضة مثلا) . • محلول ملح لفلز الطلاء . • الجسم المراد طلائه يوصل بالقطب السالب المهبط (ملعقة نحاسية مثلا) . • مصدر للتيار الكهربائي . • فعند طلاء الملعقة النحاسية بطبقة من الفضة تحدث التفاعلات التالية : • عند القطب الموجب المصعد : Ag(s) Ag+ + e- • عند القطب السالب المهبط :Ag+ + e- Ag(s) • بحيث تترسب الفضة على الملعقة النحاسية .

14. الاسئلة : • عرف الكيمياء الكهربائية . • عرف تفاعلات الأكسدة والاختزال. • عرف الخلايا الكهروكيميائية. • عدد انواع الخلايا الكهروكيميائية. • فسر فكرة عمل الخلية الكلفانية . • استنتج كيفية تحويل الطاقة الحرارية الى طاقة كهربائية في الخلية الكلفانية . • لخص مكونات الخلية الكلفانية . • عرف الجسر الملحي . • ارسم الخلية الكلفانية مؤشراً على الاجزاء . • حلل كيفية نشوء التيار الكهربائي في الخلايا الكلفانية . • قارن بين الخلايا الكلفانية والخلايا الالكتروليتية . • عرف خلية الطلاء الكهربائي . • لخص مكونات خلية الطلاء الكهربائي. • صمم خلية الطلاء الكهربائي .

15. References • 1- Herance, J.R., Concepci.n, P., Dom駭ech, A., Bourdelande, J.L., Marquet, J., and Garc, H. 2005. Anionic organic guests incorporated within zeolites. Adsorption and reactivity of the Meisenheimer complex in faujasites. Chemistry A European Journal 11, 6491–6502. • 2- Go, J.-Y., and Pyun, S.-I. 2007. A review of anomalous diffusion phenomena at fractal interface for diffusion-controlled and non-diffusion-controlled transfer processes. Journal of Solid State Electrochemistry 11, 323–334. • 3- Giustetto, R., Llabr駸 i Xamena, F.X., Ricchiardi, G., Bordiga, S., Damin, A., Gobetto, R., and Chierotti, M.R. 2005. Maya blue: A computational and spectroscopic study. Journal of Physical Chemistry B 109, 19360–19368. • 4- Dom駭ech, A., Dom駭ech, M.T., and V.zquez, M.L. 2007b. Chemometric study of Maya blue from the voltammetry of microparticles approach. Analytical Chemistry 79,2812–2821. • 5- Cheng, L., Li, H.-q., and Xia, Y.-y. 2006. A hybrid nonaqueous electrochemical supercapacitor using nano-sized iron oxyhydroxide and activated carbon. Journal of Solid StateElectrochemistry 10, 405–410. • 6- Alhalasah, W., and Rolze, H. 2007. Electrochemical bandgaps of a series of poly-3-p phenylthiophenes. Journal of Solid State Electrochemistry 11, 1605–1612.

16. شكراً لكم .... لحسن الاستماع