الكيمياء الكهربائية

1. نحو أداءٍ تدريسي متميز مثمر الكيمياء الكهربائية

2. الدكتورة ابتهاج زكي سليمان محمد الحليم اختصاص الكيمياء الفيزياوية كلية التربية بنات /قسم الكيمياء

3. الكيمياء الكهربائية • الكيمياء الكهربائية هي احد فروع علم الكيمياء يهتم بدراسة التفاعلات الكهروكيميائية • التيار الكهربائي هو الشحنات المنتقلة خلال وسيط ناقل مثل انتقال الالكترونات خلال سلك موصل او انتقال الايونات في محلول الكتروليتي ويقاس بالامبير • الكولوم وهو وحدة قياس الشحنة الكهربائية ويعادل كمية الشحنة الموجودة 6.25x1018الكترون. • الامبير وحدة قياس شدة او مقدار التيار الكهربائي الذي يسببه مرور كولوم واحد خلال وسيط ناقل خلال ثانية واحدة . • الفولت وحدة قياس الجهد ويمثل فرق الجهد الذي يسببه مرور تيار شدته امبير خلال وسيط ناقل مقاومته آوم واحد

4. ماهي التفاعلات الكهروكيمائية وعي التفاعلات التي التي تنتج اوتستهلك طاقة وتكون على نوعين :- • تفاعلات مولدة للطاقة الكهربائية وهي التفاعلات التي ينتج عنها طاقة كهربائية وتكون تلقائية أي ان G∆ تكون سالبة و E∆ تكون موجبة وهي التفاعلات تحدث في الخلايا الكلفانية (الفولتائية) • تفاعلات مستهلكة للطاقة الكهربائيةوهي التفاعلات التي تستهلك طاقة كهربائية وتكون لاتلقائية أي ان G∆ تكون موجبة و E∆ تكون سالبة وهي التفاعلات تحدث في الخلايا الالكتروليتية أي خلايا التحلل الكهربائي.مثل خلايا الطلاء الكهربائي

5. ماهي الخلية ؟و وما هو الانود؟ وما هو الكاثود؟ • الخلية جهاز كهربائي ناتج عن ربط قطبين يسري بينهما تيار كهربائي وهي على توعين كما قلنا الخلايا الكلفانية (الفولتائية) والخلايا الالكتروليتية • اما الانود هو مصدر الالكترونات وتحدث عنده عملية التاكسد • اما الكاثود هو مستورد الالكترونات وتحدث عنده عملية الاختزال

6. ولكن أي نوع من التفاعلات الكيميائية ذلك الذي يمكن أن ينتج طاقة كهربائية ؟ إنها بالتأكيد تفاعلات الأكسدة والاختزال .

7. تفاعلات الأكسدة والاختزال تفاعلات الأكسدة والاختزال هي : التفاعلات التي يحدث فيهـــا انتقال للإلكترونـات من ذرة إلى أخرى بحيث يحدث تغيير في العدد التاكسدي للعناصر.

8. - ++ Zn - 2e Zn - ++ Zn Zn + 2e الأكسدة الأكسدة : عملية فقدان ذرة العنصر لإلكترون أو أكثر ، وينتج عنه زيادة في عدد الأكسدة للعنصر. مثال

9. - ++ Cu + 2e Cu الاختزال الاختزال : عملية اكتساب ذرة العنصر لإلكترون أو أكثر ، وينتج عنه نقصان في عدد أكسدة العنصر. مثال

10. علاقة عمليتي الأكسدة والاختزال بعدد الأكسدة اتجاه نقصان عدد الأكسدة ( اختزال ) ....... ، -3 ، -2 ، -1 ، صفر ، +1 ، +2 ، +3 ....... اتجاه ازدياد عدد الأكسدة ( أكسدة )

11. ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu عملية الأكسدة والاختزال عمليتان متلازمتان بمعنى أنه عند حدوث عملية أكسدة لابد من حدوث عملية اختزال بحيث يشكل كل منهما نصف تفاعل مكمل للأخر وبجمعهما نحصل على التفاعل الكلي فعلى سبيل المثال يمكن جمع نصفي التفاعل السابقين لنحصل على تفاعل الأكسدة والاختزال أعلاه .

12. لكن ماهوالعامل المؤكسد وماهوالعامل المختزل ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu العامل المؤكسد : المادة التي تختزل وتؤكسد غيرها أي المادة التي ينقص عدد اكسدتها في التفاعل . العامل المختزل : المادة التي تتأكسد وتختزل غيرها أي المادة التي يزداد عدد اكسدتها في التفاعل . عامل مؤكسد عامل مختزل

13. لماذا ؟ بـالـرغـم من حـــدوث تفاعل اكسدة واختزال في هذا الكأس إلا اننا لا يمـكن أن نحصـــل منه على تيار كهربائي في هذه الحالة.

14. انتقال الالكترونات عبر الدائرة القصيرة إن سبب عدم حصولنا على تيار كهربي في هذه الحالة يرجع إلى أن الالكترونات تنتقل مباشرة من فلز الخارصين إلى أيونات النحاس عبر ما يعرف بالدائرة القصيرة ، ولحل هذه المشكلة لابد من فصل نصفي التفاعل باستخدام غشاء شبه منفذ(مسامي) أو في كأسين مختلفين بحيث نجعل الالكترونات تسري عبر سلك معدني .

15. Zn Zn + 2e ++ Cu + 2e Cu ++ Zn Cu االكاثود الانود (اكسدة) (اختزال) ++ ++ Zn Cu ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu انتقال الالكترونات عبر سلك معدني

16. بداية القصة حول اكتشاف الخلايا الكهربائية في عام 1786م لاحظ كلفاني ارتعاش أطراف الضفدع عند لمس عضلاته بمعدنين مختلفين .

17. أول خلية كهر وكيميائية كانلفولتا السبق في صناعة أول بطاريةعرفها التاريخ في حوالي عام 1800م.

18. العلاقة بين التغيرالكيميائي والطاقة الكهربائية أكد فارادي في عام 1825م عن طريق تجاربه في التحليل الكهربائية العلاقة بين التغير الكيميائيوالطاقة الكهربائية .

19. انواع الخلايا الكهربائية 1الخلية الكلفانية 1- تتألف الخلية الكلفانية من قطبين يتم في أحدهما تفاعل أكسدة وفي الأخر تفاعل اختزال . 2- يحدث التفاعل في الخلية الكلفانية تلقائياً . 3- يعرف القطب الذي يتم فيه نصف تفاعل الأكسدة بالانود ، القطب الذي يتم فيه نصف تفاعل الاختزال بالكاثود .

20. تركيب الخلية الكلفانية 4- بجمع نصفي التفاعل اللذان يحدثان في القطبين نحصل على التفاعل الكلي الذي يتم في الخلية . 5- تتجه الالكترونات في الخلية من الانود حيث تتولد الالكترونات إلى الكاثود حيث تستهلك الالكترونات عبر سلك معدني يصل بين قطبين معدنيين ويمر السلك بالفولتميتر للكشف عن التيار.

21. 6- يصل بين المحلولين في الخلية جسر ملحي وهو عبارة عن انبوب يحتوي على الكتروليت قوي مثل KCl, NaCl, K2SO4لايتغير كيميائيا اثناء عمل الخلية لماذا ....... الجسر الملحي ؟ لاكمال الدائرة الكهربائية وللسماح بانتقال الأيونات من وإلى المحلولين .

22. وظيفة الجسرالملحي وعلى هذا فإن الجسرالملحي يعتبر مخزناً للأيونات الموجبة والسالبة ووسيلة لانتقال الأيونات من أحد القطبين إلى الأخر لغرض الحفاظ على حالة التوازن الكهربائي في المحلولين والذي يعتبر شرطاً أساسياً لاستمرار سريان التيار الكهربائي .

23. من أشهر الخلايا الكهروكيميائية خلية دانيال مثال على الخلايا الكلفانية والتي تتألف من قطب النحاس مغمور في اناء يحتوي على محلول كبريتات النحاس ، و قطب من الخارصين مغمور في اناء يحتوي على محلول كبريتات الخارصين ، ويصل بين القطبين سلك معدني يرتبط بالفولتميتير، ويصل بين المحلولين ما يعرف بالجسر الملحي لاكمال الدائرة الكهربائية .

24. Cu + 2e Cu ++ Zn Zn + 2e ++ - + الكاثود الانود (اكسدة) (اختزال) ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu خلية دانيال

25. 2-الخلية الالكتروليتية (جهاز التحليل الكهربائي) وهي خلية مستهلكة للتيار الكهربائي تحول الطاقة الكهربائية من مصدر خارجي الى طاقة كيمياوية بهيئة عناصر مترسبة او متحررة عند القطبين وعملها يكون غير تلقائي ومن الامثلة عليها خلايا الطلاء الكهربائي .

26. كيف تعمل الخليةالالكتروليتية تتكون من اناء واحد يحتوي على محلول او منصهر كلوريد النحاسيك ويوضع في هذا المحلول قطبين من الكرافيت متصلين بسلكين خارجيين الى مصدر تيار كهربائي مستمر (بطارية) حيث تكتمل الدائرة الكهربائية

27. ماذا يحصل داخل الخلية الالكتروليتية 1- تنتقل الايونات الموجبة Cu++ نحو القطب السالب ) الكاثود) لكي تكتسب منه الالكترونات وتتحول الى ذرات النحاس المترسبة أي تحصل عملية اختزال Cu++ + 2eCu اختزال →

28. 2- تتحرك الايونات السالبة Cl - نحو القطب الموجب ) الانود) لكي تفقد الكتروناتها عند القطب الموجب وتتحول الى جزيئات الكلور المتحررة أي تحصل عملية تاكسد Cl- - 2e → Cl تاكسد

29. ++ Cu + 2e Cu - 2Cl Cl2+ 2e الخلايا التحليلية التحليل الكهربي لمحلول كلوريد النحاسيك - - + + الانود الكاثود ++ Cu - بطارية Cl

30. ماهو الطلاء الكهربائي هي عملية اكساء اداة مصنوعة من فلز بفلز اخر والاداة قد تكون قائش ساعة او خاتم وغيرها ليكسبها منظرا مرغوب فيه او ليقيها من التاكل والصدأ فنجعل الفلز المراد الطلاء به مثل الفضة او الذهب انود الخليةاما القطعة المراد طلائها تنظف ونجعلها كاثود الخلية ومحلول الخلية يحتوي على احد املاح 30

31. املاح الفلز المراد الطلاء بها مثل نترات الفضة اونترات الذهب كيف نحصل على طلاء جيد الطلاء يعتمد على شدة التيار المار في محلول الخلية وعلى تركيز ايونات الفلز المراد الطلاء بها فكلما كانت شدة التيار ضعيفة وكانت تركيز ايون الفلز قليل كلما كان الطلاء جيد

32. قانونا فاراداي للتحليل الكهربائي القانون الأول : كتلة المادة المتحررة أو المترسبة في خلية التحليل الكهربي تتناسب طردياً مع كمية الكهرباء المارة في المحلول . QW أي أن :Q كمية الكهربائية t I x= W حيث Iهو التيار الكهربائي ، tهو الزمن

33. قانونا فاراداي للتحليل الكهربائي القانون الثاني : كتلة المادة المتحررة أو المترسبة في خلية التحليل الكهربائي تتناسب طردياً مع الوزن المكافئ الغرامي . e / F= W eW أي أن : حيث e الوزن المكافئ الغرامي ويساوي الوزن الذري/ عدد التكافؤ ، 1/F = ثابت التناسب.

34. وبدمج قانوني فاراداي نحصل على : t xe / FI x = W F = (الفراداي= 96498) t xe / 96500I x = W

35. قانوني فاراداي في التحليل الكهربي . اذن عدد الفراداي= عدد الكولومات/96500 او عدد الفراداي= (عدد الذرات الفلز المترسبة/عدد أفوكادروx(التكافؤ للعنصر عدد الفراداي= (عدد الجزيئات/عدد أفوكادرو) x 2 ( التكافؤ للعنصر) عدد الفراداي= وزن الغاز المتحرر/الوزن الجزيئي عدد الفراداي= (حجم الغاز في ظروف قياسية/ 22.4) x ( 2 التكافؤ للعنصر)

36. مثالاحسب كمية الصوديوم المترسبة بعد مرور 1930كولوم من الكهربائية خلال منصهرمن كلوريد الصوديوم2)حجم الغاز المتحرر في ظروف قياسية على الانودعلماً بأن الوزن الذري للصوديوم=23؟ عدد الفراداي= عدد الكولومات/ 96500 = 1930/96500 =0.02 فراداي عدد الفراداي= وزن Na/وزته الذري x التكافؤ 0.02 = وزن Na/23 x1 وزن Na = 0.46 غم

37. عدد الفراداي= (حجم الغاز في ظروف قياسية/ 22.4) x ( 2 التكافؤ ( للجزيئة) 0.02 = حجم Cl2في ظروف قياسية / 22.42x أذن حجم Cl2= 0.224 لتر = 224 C m3

38. جهد القطب ( E ) جهد القطب : هوالجهد الكهربائي الناشئ عن تفاعل الأكسدة والاختزال الذي يتم في القطب . ويكون هذا الجهد الكهربائي ، جهد أكسدة في حالة حدوث تفاعل الأكسدة وجهد اختزال في تفاعل الاختزال ، وقيمة هذين الجهدين للقطب الواحد متساوية مع اختلاف الإشارة .

39. فرق جهد الخلية الكهروكيميائية ( E ) هل يمكن قياس الجهد الكهربائي في الأقطاب المنفردة؟ جهد القطب قيمة فيزيائية مطلقة لا يمكن قياسها للقطب الواحد ، ولكن إذا تم توصيل قطبين ببعضهما فبالإمكان قياس فرق الجهد بين القطبين . يعرف فرق الجهد هذا بفرق جهد الخلية الكهروكيميائية الذي يمكن أن نرمز له بالحرف E أيضاًً ( ويسمى جهد الخلية ).

40. العوامل المؤثرة في قيمة فرق جهد الخلية 1- طبيعة المواد ( نوع الأقطاب المكونة للخلية ) . 2- تركيز المحاليل في الخلية . 3- ضغط الغاز في حالة وجوده . 4- درجة الحرارة .

41. أولاً : طبيعة المواد ( نوع الأقطاب المكونة للخلية ) بلا شك تختلف المواد في قابليتها للتفاعل الكيميائي سواءً أكسدة أو اختزال ، وفرق جهد الخلية الكهروكيميائية يعتمد على قوة نصفي التفاعل اللذان يتمان في الخلية ، فكلما ازدادت قابلية مادة الانود لعملية الأكسدة وقابلية مادة الكاثود لعملية الاختزال زاد فرق جهد الخلية لذا فإننا نجد تفاوتاً في قيمة فرق الجهد الناتج باختلاف نوع الأقطاب المكونة للخلية.

42. ++ Cu + 2e Cu ++ Zn Zn + 2e الكاثود الانود (اكسدة) (اختزال) ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu 1.1 V

43. ++ Cu Cu + 2e 2Ag + 2e 2Ag + الكاثود الانود (اكسدة) (اختزال) ++ + 2Ag + Cu 2 Ag + Cu 0.46 V

44. فرق الجهد في خلية دانيال يساوي 1.1 فولت عند ظروف معينة .

45. ثانياً: تركيز المحاليل في الخلية تتأثر قيمة فرق جهد الخلية الكهروكيميائية بتركيز المحلولين الموجودين في القطبين ، وهذا أمر واضح فكما عرفنا فإن الجهد المتولد في الخلية يعتمد عل قوة تفاعل الأكسدة و الاختزال اللذان يتمان في الخلية ، وقوة نصفي التفاعل بدورهما يتأثران بتركيز المحلولين المكونين للخلية .

46. ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu اتجاه انتاج الجهد الكهربائي ويمكن توضيح هذا الأثر بشكل أكبر من خلال مبدأ قاعدة لي شاتلييه فلو طبقنا هذا المبدأ على التفاعل الكلي الذي يتم في خلية دانيال نلاحظ أنه بزيادة تركيز أيونات Zn في الانود فإن التفاعل يتجه في الاتجاه العكسي أي في الاتجاه الذي يقل فيه الجهد الكهربائي الناتج وكذلك في حال نقصان تركيز أيونات النحاس ++Cu الموجودة في الكاثود . ++

47. 0 جهد القطب القياسي وفرق جهد الخلية القياسي E يعرف فرق جهد الخلية الكهروكيميائية عند الظروف القياسية بفرق جهد الخلية القياسي ، كما تعرف جهود الأقطاب عند هذه الظروف بجهود الأقطاب القياسية ، والظروف القياسية للخلايا هي : تركيز 1 مولار للمحاليل و ضغط جويواحد للغازات عند 25 درجة مئوية .

48. كيفية تعيين جهود الأقطاب القياسية . لا يوجد قطب معروف الجهد ، ولغرض تحديد جهود الأقطاب القياسية تم اختيار قطب الهيدروجين القياسي كقطب مرجع لقياس جهود الأقطاب الأخرى وتم الاتفاق على اعطاء قطب الهيدروجين القياسي جهد افتراضي يساوي الصفر ، وعليه فإذا أردنا تحديد جهد أي قطب ما علينا الا توصيله بقطب الهيدروجين عند الظروف القياسية .

49. كيفية تعيين جهود الأقطاب القياسية . فيكون فرق الجهد المسجل على الفولتميتر في الخلية مساوياً لجهد القطب المجهول وذلك لان جهد قطب الهيدروجين يساوي صفر ، ويكون هذا الجهد المعين للقطب جهد أكسدة إذا كان التفاعل الذي يتم فيه تفاعل أكسدة ، وجهد اختزال إذا كان التفاعل الذي يتم في القطب تفاعل اختزال . وبهذه الطريقة تم تحديد الجهد الكهربائي لكل الأقطاب المعروفة . ورتبت في جدول كجهود أكسدة أو اختزال .

50. السلسلة الكهروكيميائية السلسلة الكهروكيميائية عبارة عن جدول يضم جهود الأقطاب القياسية لكثير من العناصر والمواد مرتبة كجهود أكسدة أو اختزال تم تحديدها نسبة إلى قطب الهيدروجين القياسي .