التجربة الاستهلالية: تفاعل بعض الفلزات مع حمض الهيدروكلوريك

تنتج القوة الهائلة وراء انطلاق الصاروخ من تفاعلات التأكسد والاختزال. فمثلا يُستعمل الهيدرازين N2H4 وقودا للصواريخ، ويتفاعل مع غاز رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين N2O4 بمجرد التلامس دون الحاجة إلى شرارة.

المثال يربط التأكسد والاختزال بالطاقة: N2O4 يؤكسد الهيدرازين، وتتكون غازات N2 و H2O وتتحرر طاقة كبيرة تدفع الصاروخ.

تتمدد الغازات الناتجة بسرعة، وهذا التمدد هو ما يدفع الصاروخ من منصة الإطلاق. وهذا المثال ليس معلومة زخرفية؛ بل يوضح الفكرة العامة للوحدة: انتقال الإلكترونات في تفاعلات التأكسد والاختزال قد يصاحبه إنتاج طاقة يمكن الاستفادة منها في تطبيقات حقيقية.

إذا سئلت عن علاقة صورة الصاروخ بالكيمياء الكهربائية، فاذكر: تفاعل تأكسد واختزال بين N2H4 و N2O4، إنتاج N2 و H2O، وتحرر طاقة هائلة تسبب تمدد الغازات وانطلاق الصاروخ.

الفكرة العامة: تفاعلات التأكسد والاختزال شائعة في الطبيعة ومهمة في الصناعة، وتتضمن انتقال الإلكترونات من المادة التي تتأكسد إلى المادة التي تختزل. وقد يصاحب هذا الانتقال إنتاج طاقة كهربائية أو استكها، وهي الجملة التي تجمع الدروس الثلاثة في الوحدة.

الكيمياء الكهربائية في هذه الوحدة هي دراسة انتقال الإلكترونات في تفاعلات التأكسد والاختزال، وعلاقة ذلك بإنتاج الطاقة الكهربائية أو استهلاكها.

المدخل يطلب منك أن تسأل سؤالين: ما المقصود بتفاعلات التأكسد والاختزال؟ وما التطبيقات العملية المرتبطة بها؟ لذلك يجب أن يكون ذهنك جاهزا لمفردات انتقال الإلكترونات، المادة التي تتأكسد، المادة التي تختزل، ثم الخلايا التي تحول الطاقة في اتجاهين مختلفين.

الخلايا الجلفانية جزء من الوحدة، لكن الفكرة العامة أوسع: تفاعلات التأكسد والاختزال قد تنتج طاقة كهربائية أو تستهلكها بحسب نوع الخلية والتفاعل.

تتكون الوحدة من ثلاثة دروس. الدرس الأول هو التأكسد والاختزال، وفكرته الرئيسة أن التأكسد والاختزال متلازمان، وأن المادة التي تأكسدت والمادة التي اختزلت تحددان من التغير في أعداد التأكسد، كما توازن معادلات التأكسد والاختزال بطريقة نصف التفاعل.

لا يحدث تأكسد وحده في سياق الوحدة؛ هناك مادة تفقد إلكترونات وأخرى تكتسبها، لذلك يدرس الدرس الأول العمليتين معا.

الدرس الثاني هو الخلايا الجلفانية: تتحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية عن طريق تفاعل تأكسد واختزال تلقائي، ويعتمد فرق الجهد الناتج على جهود الاختزال المعيارية للأقطاب المكونة لها. الدرس الثالث هو خاليا التحليل الكهربائي، وفيها تستخدم الطاقة الكهربائية لإحداث تفاعل تأكسد واختزال غير تلقائي.

احفظ الاتجاه لا الاسم فقط: الجلفانية تحول كيميائية إلى كهربائية في تفاعل تلقائي، والتحليل الكهربائي يستخدم كهرباء لإجبار تفاعل غير تلقائي.

مراجعة الدرس

• ما الفكرة التي تعرضها صورة انطلاق الصاروخ في مدخل الوحدة؟
• ما دور N2O4 في مثال وقود الصواريخ؟
• ما النواتج المذكورة لتفاعل الهيدرازين مع N2O4؟
• ما الفكرة العامة لوحدة الكيمياء الكهربائية؟
• ما الفكرة الرئيسة لدرس التأكسد والاختزال؟
• ما الفكرة الرئيسة لدرس الخلايا الجلفانية؟
• ما الفكرة الرئيسة لدرس خاليا التحليل الكهربائي؟