شرح خلايا التأكسد والاختزال – الكيمياء (الفرع الزراعي)

تصميم خلايا جلفانية بطريقة آمنة، وحساب جهدها.
توظيف السلسلة الكهروكيميائية للتنبؤ بنواتج التحليل الكهربائي لمحاليل المواد الأيونية ومصاهيرها.
تصميم خلية تحليل كهربائي لإجراء عملية طلاء كهربائي.
حساب كمية المواد الناتجة في خلايا التحليل الكهربائي.

من يعطي الإلكترونات ومن يأخذها؟

ماذا ينتج عن تفاعلات التأكسد والاختزال التلقائية؟

1-6 الخلايا الجلفانية

مبدأ عمل الخلايا الجلفانية: تفاعلات التأكسد والاختزال.
تنتقل الإلكترونات من العوامل المختزلة إلى العوامل المؤكسدة.
يتم هذا الانتقال إذا اختلطت المواد المتفاعلة في وعاء واحد.

الشكل (6-1): التفاعل التلقائي بين سلك من النحاس ومحلول نترات الفضة

كل ذرة نحاس فقدت إلكترونين (تأكسدت)، وتسمى عاملاً مختزلاً.
أيونات الفضة اكتسب كل منها إلكتروناً واحداً، وترسبت على شكل ذرات من الفضة (اختزلت).
نترات الفضة تسمى عاملاً مؤكسداً.

اكتب المعادلة الأيونية الصافية التي تمثل التفاعل السابق.

ما العامل المختزل؟ وما العامل المؤكسد في التفاعل؟

اكتب معادلة نصف تفاعل التأكسد.

اكتب معادلة نصف تفاعل الاختزال.

اكتب المعادلة الكلية التي تمثل هذا التفاعل.

2-6 تركيب الخلايا الجلفانية وعملها

كيف نأخذ تياراً كهربائياً من التفاعل؟

نحصل على تيار كهربائي من تفاعلات مشابهة للنشاط (6-1) إذا توفر نظام ملائم.
نفصل نصف تفاعل التأكسد عن نصف تفاعل الاختزال باستخدام وعاءين منفصلين.
دون السماح باختلاط المواد المتفاعلة.

خطوات العمل:

جهد القطب القياسي (3-6)

أين يتأكسد الخارصين وأين يختزل النحاس؟

جهاز الفولتميتر يقيس جهد الخلية الكلي بين قطبي الخلية الجلفانية.

انحراف المؤشر يدل على سريان التيار الكهربائي من صفيحة الخارصين نحو صفيحة النحاس عبر أسلاك التوصيل.
على صفيحة الخارصين يحدث تفاعل التأكسد:

Zn_{(s)} \longrightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2e^-

ذرات الخارصين فقدت إلكترونات، وتحولت إلى أيونات موجبة تنتشر في المحلول.
على صفيحة النحاس يتوقع أن يحدث تفاعل الاختزال:

Cu^{2+}_{(aq)} + 2e^- \longrightarrow Cu_{(s)}

الجسر الملحي (القنطرة الملحية) يغلق الدارة الكهربائية.
أيونات الكلور السالبة تنتقل نحو نصف خلية الخارصين لمعادلة أيونات الخارصين الزائدة هناك.
أيونات البوتاسيوم تنتقل من الجسر الملحي نحو نصف خلية النحاس لمعادلة أيونات الكبريتات الزائدة.
وبذلك يتم الحفاظ على اتزان الخلية الكهربائي.

Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} \longrightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)}

قراءة الفولتميتر تمثل جهد الخلية الجلفانية، وهي القوة الدافعة الكهربائية (الفولتية) التي تسبب انتقال الإلكترونات في سلك التوصيل.

ما دلالة انحراف مؤشر الفولتميتر؟

ما مقدار القوة الدافعة الكهربائية (الفولتية) التي قاسها الفولتميتر؟

قم بإزالة الجسر الملحي، ماذا تلاحظ؟ فسّر إجابتك.

ماذا يحدث لكل من: كتلة صفيحة الخارصين، وكتلة صفيحة النحاس؟ فسّر إجابتك.

كيف نقيس جهد قطب واحد؟

لا توجد أداة تستطيع قياس جهد الأقطاب مفردة.
لذلك لجأ العلماء لاستخدام قطب الهيدروجين القياسي.

2H^+_{(aq)} + 2e^- \longrightarrow H_{2(g)} \quad E^o = 0 \text{ v}

H_{2(g)} \longrightarrow 2H^+_{(aq)} + 2e^- \quad E^o = 0 \text{ v}

الظروف المعيارية: تركيز 1 مول/لتر للأيونات، و 1 ضغط جوي للغازات ودرجة حرارة 25 $^\circ$ س

انتقلت الإلكترونات من قطب الهيدروجين نحو قطب النحاس.
جزيئات الهيدروجين تأكسدت (فقدت إلكترونات) على القطب القياسي (المصعد).
أيونات النحاس اختزلت (اكتسبت إلكترونات) على صفيحة النحاس (المهبط).
ميل أيونات النحاس $Cu^{2+}$ للاختزال كان أكبر من ميل أيونات الهيدروجين $H^+$ للاختزال.
جهد اختزال النحاس أعلى من جهد اختزال الهيدروجين.
جهد اختزال أيونات النحاس + 0.34 فولت، لأن الفولتية المقاسة تساوي 0.34 فولت في الظروف القياسية.

أي القطبين يمثل المهبط؟ وأيهما يمثل المصعد؟

ما اتجاه انتقال الإلكترونات في السلك الخارجي؟ وما اتجاه انتقال الأيونات عبر الجسر الملحي؟

تمرين (1):

من الأقوى ميلاً للاختزال؟ السلسلة الكهروكيميائية

تمكن العلماء من حساب جهد الاختزال للعديد من أنصاف التفاعلات في الظروف القياسية.
رتبوا أنصاف التفاعلات وجهود اختزالها القياسية في جدول يعرف باسم (السلسلة الكهروكيميائية).

نصف تفاعل الاختزال	$E^o$ (فولت)
$F_2 + 2e^- \longrightarrow 2F^-$	+2.87
$H_2O_2 + 2H^+ + 2e^- \longrightarrow 2H_2O$	+1.78
$MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \longrightarrow Mn^{2+} + 4H_2O$	+1.51
$PbO_2 + 4H^+ + 2e^- \longrightarrow Pb^{2+} + 2H_2O$	+1.46
$Cl_2 + 2e^- \longrightarrow 2Cl^-$	+1.36
$Cr_2O_7^{2-} + 14H^+ + 6e^- \longrightarrow 2Cr^{3+} + 7H_2O$	+1.33
$O_2 + 4H^+ + 4e^- \longrightarrow 2H_2O$	+1.23
$Br_2 + 2e^- \longrightarrow 2Br^-$	+1.06
$Ag^+ + e^- \longrightarrow Ag$	+0.80
$I_2 + 2e^- \longrightarrow 2I^-$	+0.54
$O_2 + 2H_2O + 4e^- \longrightarrow 4OH^-$	+0.40
$Cu^{2+} + 2e^- \longrightarrow Cu$	+0.34
$2H^+ + 2e^- \longrightarrow H_2$	0.00
$Pb^{2+} + 2e^- \longrightarrow Pb$	- 0.13
$Sn^{2+} + 2e^- \longrightarrow Sn$	- 0.14
$Ni^{2+} + 2e^- \longrightarrow Ni$	- 0.25
$PbSO_4 + 2e^- \longrightarrow Pb + SO_4^{2-}$	- 0.36
$Fe^{2+} + 2e^- \longrightarrow Fe$	- 0.44
$Cr^{3+} + 3e^- \longrightarrow Cr$	- 0.74
$Zn^{2+} + 2e^- \longrightarrow Zn$	- 0.76
$2H_2O + 2e^- \longrightarrow H_2 + 2OH^-$	- 0.83
$Mn^{2+} + 2e^- \longrightarrow Mn$	- 1.03
$Al^{3+} + 3e^- \longrightarrow Al$	- 1.67
$Mg^{2+} + 2e^- \longrightarrow Mg$	- 2.38
$Na^+ + e^- \longrightarrow Na$	- 2.71
$Ca^{2+} + 2e^- \longrightarrow Ca$	- 2.84
$Ba^{2+} + 2e^- \longrightarrow Ba$	- 2.90
$K^+ + e^- \longrightarrow K$	- 2.92
$Li^+ + e^- \longrightarrow Li$	- 3.05

قارن بين ميل كل من النحاس والهيدروجين للتأكسد، واستنتج من ذلك جهد تأكسد النحاس.

ما العلاقة بين جهد اختزال أيونات النحاس وجهد تأكسد النحاس؟

تمرين (2):

كيف نكتب الخلية الجلفانية بمخطط؟

Zn_{(s)} \mid Zn^{2+}_{(aq)} \parallel Ag^+_{(aq)} \mid Ag_{(s)}

ترتيب المخطط: المصعد (نصف خلية التأكسد) | الجسر الملحي | المهبط (نصف خلية الاختزال).

ارسم خلية جلفانية يقترن فيها قطب الهيدروجين القياسي مع نصف خلية خارصين: حدّد عليها المصعد، والمهبط، واتجاه سريان التيار الكهربائي في السلك الخارجي.

استخدم الجدول (6-1) للتنبؤ بقراءة الفولتميتر.

اكتب معادلة نصف تفاعل التأكسد، ومعادلة نصف تفاعل الاختزال.

اكتب المعادلة الكلية للتفاعل في الخلية الجلفانية.

ارسم خلية جلفانية يكون قطباها من الخارصين والفضة، وحدّد على الرسم: المصعد، والمهبط، واتجاه سريان التيار الكهربائي فيها.

عبّر عن الخلية الجلفانية (خارصين - هيدروجين) بمخطط اصطلاحي.

4-6 حساب جهد الخلايا الجلفانية $E^o$

كيف نحسب جهد الخلية من الجدول؟

يمكن حساب جهد الخلايا الجلفانية باستخدام جهود الاختزال القياسية.

مثال (1):

مثال

المثال 1: يجري حالياً تطوير خلية جلفانية لاستخدامها في السيارات الكهربائية بطارية (خارصين - كلور)، والتفاعل الكلي في الخلية: $Zn_{(s)} + Cl_{2(g)} \longrightarrow ZnCl_{2(aq)}$ ما جهد الخلية القياسي $E^o$ ؟ عرفت من المعادلة الكلية للتفاعل أن الخارصين تأكسد والكلور اختزل (تأكسد) $Zn_{(s)} \longrightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2e^- \quad E^o = + 0.76 \text{ v}$ (اختزال) $Cl_{2(g)} + 2e^- \longrightarrow 2Cl^-_{(aq)} \quad E^o = + 1.36 \text{ v}$ $E^o$ للخلية = جهد اختزال الكلور + جهد تأكسد الخارصين = ⁦1.36 + 0.76 = 2.12⁩ فولت ويمكن إيجاد جهد الخلية بطرح جهد اختزال الخارصين من جهد اختزال الكلور كالآتي: ⁦1.36 - (0.76-) = 2.12⁩ فولت $E^o = 1.36 - (-0.76) = 2.12\ \text{v}$ وأيضاً يمكن إيجاد جهد الخلية بطرح جهد تأكسد الكلور من جهد تأكسد الخارصين.

فماذا لو احتاج التفاعل إلى ضرب نصف التفاعل في عدد؟

مثال (2):

مثال

المثال 2: تمثل المعادلة الآتية التفاعل التلقائي الذي يحدث في إحدى الخلايا الجلفانية: $2Al_{(s)} + 3Zn^{2+}_{(aq)} \longrightarrow 2Al^{3+}_{(aq)} + 3Zn_{(s)}$ احسب جهد هذه الخلية بالاعتماد على البيانات الواردة في الجدول (6-1). يتأكسد الألمنيوم في الخلية الجلفانية حسب المعادلة الآتية: $2 \times \{Al_{(s)} \longrightarrow Al^{3+}_{(aq)} + 3e^-\} \quad E^o = +1.67$ أما أيونات الخارصين فإنها تختزل حسب المعادلة الآتية: $3 \times \{Zn^{2+}_{(aq)} + 2e^- \longrightarrow Zn_{(s)}\} \quad E^o = - 0.76$ $E^o$ للخلية = جهد تأكسد الألمنيوم + جهد اختزال الخارصين = ⁦1.67 - 0.76 = 0.91⁩ فولت.

تمرين (4):

احسب جهد الخلية الجلفانية: $Mn_{(s)} + Pb^{2+}_{(aq)} \longrightarrow Mn^{2+}_{(aq)} + Pb_{(s)}$

احسب جهد الخلية الجلفانية: $Zn_{(s)} \mid Zn^{2+}_{(aq)} \parallel Ag^+_{(aq)} \mid Ag_{(s)}$

تمرين (5):

اعتماداً على جدول (6-1) هل يتم تفاعل الخارصين مع كبريتات المغنيسيوم بشكل تلقائي؟

اعتماداً على جدول (6-1) هل يتم تفاعل القصدير مع كبريتات ⁦II⁩ النحاس بشكل تلقائي؟

خلايا التأكسد والاختزال

شرح الموضوع

من يعطي الإلكترونات ومن يأخذها؟

1-6 الخلايا الجلفانية

2-6 تركيب الخلايا الجلفانية وعملها

كيف نأخذ تياراً كهربائياً من التفاعل؟

خطوات العمل:

جهد القطب القياسي (3-6)

أين يتأكسد الخارصين وأين يختزل النحاس؟

كيف نقيس جهد قطب واحد؟

تمرين (1):

من الأقوى ميلاً للاختزال؟ السلسلة الكهروكيميائية

تمرين (2):

كيف نكتب الخلية الجلفانية بمخطط؟

4-6 حساب جهد الخلايا الجلفانية $E^o$

كيف نحسب جهد الخلية من الجدول؟

مثال (1):

مثال (2):

تمرين (4):

تمرين (5):

تابع الدراسة

النتائج والمعدل

الامتحانات

الدراسة

روابط رسمية

المنصة

المواد

النتائج والمعدل

الامتحانات

الدراسة

روابط رسمية

المنصة

المواد

خلايا التأكسد والاختزال

شرح الموضوع

من يعطي الإلكترونات ومن يأخذها؟

1-6 الخلايا الجلفانية

2-6 تركيب الخلايا الجلفانية وعملها

كيف نأخذ تياراً كهربائياً من التفاعل؟

خطوات العمل:

جهد القطب القياسي (3-6)

أين يتأكسد الخارصين وأين يختزل النحاس؟

كيف نقيس جهد قطب واحد؟

تمرين (1):

من الأقوى ميلاً للاختزال؟ السلسلة الكهروكيميائية

تمرين (2):

كيف نكتب الخلية الجلفانية بمخطط؟

4-6 حساب جهد الخلايا الجلفانية EoE^oEo

كيف نحسب جهد الخلية من الجدول؟

مثال (1):

مثال (2):

تمرين (4):

تمرين (5):

تابع الدراسة

4-6 حساب جهد الخلايا الجلفانية $E^o$