الخلايا الجلفانية: الأكسدة والاختزال وجهد الاختزال القياسي
درس الخلايا الجلفانية يبدأ من الأكسدة والاختزال ونشاط الفلزات، ثم نبني خلية دانيال، وننتهي بجهود الاختزال القياسية وحساب القوة الدافعة الكهربية. وفي صفحة الأسئلة تجد باقي الدرس.
الأكسدة والاختزال
- الأكسدة فقد إلكترونات ويزداد عدد التأكسد، والاختزال اكتساب إلكترونات ويقل عدد التأكسد.
- العامل المختزل هو المادة التي تتأكسد (تفقد الإلكترونات)، والعامل المؤكسد هو المادة التي تختزل (تكتسب الإلكترونات).
- عدد الإلكترونات المفقودة يساوي دائمًا عدد الإلكترونات المكتسبة، وعند الموازنة تتساوى الذرات والشحنات في الطرفين.
- في التفاعل Pb + Cu²⁺ → Pb²⁺ + Cu يتأكسد الرصاص ويختزل أيون النحاس.
اعرض الحل
Pb يفقد إلكترونات ويتأكسد.
المادة التي تتأكسد هي العامل المختزل.
الإجابة (ج).
نشاط الفلزات وتفاعلات الإحلال
- الفلز الأنشط يحل محل الفلز الأقل نشاطًا في محلول ملحه، مثل Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.
- عند وضع ساق الخارصين في محلول كبريتات النحاس (II) يذوب الخارصين فيزداد [Zn²⁺]، ويقل [Cu²⁺] فيزول اللون الأزرق تدريجيًا، ويترسب النحاس على الساق.
- الفلز الذي يتأكسد يكون أعلى في جهد الأكسدة (أسبق في السلسلة الكهروكيميائية).
اعرض الحل
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
[Zn²⁺] يبدأ من الصفر ويزداد بمرور الزمن.
يثبت عندما تنتهي أيونات Cu²⁺.
الإجابة (ب).
ويمكن ترتيب عدة فلزات حسب نشاطها بتجريب تفاعل كل منها مع محاليل أملاح الفلزات الأخرى:
اعرض الحل
X لا يحل محل Z : Z أنشط من X.
Y يترسب على X وعلى Z : X و Z أنشط من Y.
Y < X < Z
الإجابة (د).
خلية دانيال
| الأنود | الكاثود | |
|---|---|---|
| القطب | الخارصين Zn | النحاس Cu |
| الشحنة | سالب (–) | موجب (+) |
| العملية | أكسدة : Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ | اختزال : Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu |
| الكتلة | تقل | تزداد |
| تركيز الأيونات | يزداد [Zn²⁺] | يقل [Cu²⁺] |
- الإلكترونات تنتقل في السلك الخارجي من الأنود إلى الكاثود.
- داخل المحلول تتجه الكاتيونات نحو الكاثود والأنيونات نحو الأنود.
اعرض الحل
الأنود هو القطب الأنشط الذي يتأكسد.
Mg أنشط من Cu فهو الأنود.
Mg → Mg²⁺ + 2e⁻
الإجابة (ج).
وفي أي خلية جلفانية نحدد اتجاه الإلكترونات والأيونات والتغير في كتلة القطبين بنفس الطريقة:
اعرض الحل
الإلكترونات تغادر القطب (1) فهو الأنود (Fe).
الأنيونات تتجه إلى الأنود (2) والكاتيونات K⁺ إلى الكاثود (3).
الإجابة (د).
القنطرة الملحية
- تصل بين نصفي الخلية فتكمل الدائرة وتسمح بانتقال الأيونات.
- تعادل الشحنات في نصفي الخلية فيظل كل محلول متعادلًا كهربيًا.
- يُختار ملح القنطرة (مثل KNO₃) بحيث لا يتفاعل مع أيونات الخلية ولا يرسبها، حتى لا تتأثر قيمة emf.
اعرض الحل
القنطرة الملحية تعادل الشحنات بتحريك الأنيونات والكاتيونات معًا.
الإجابة (د).
جهد الاختزال القياسي وقطب الهيدروجين
- قطب الهيدروجين القياسي SHE : سلك بلاتين مغمور في محلول حمضي تركيز H⁺ فيه 1 M ويتصاعد حوله غاز H₂ تحت ضغط 1 atm عند 25°C، وجهده يساوي صفرًا.
- جهد الاختزال القياسي E° لأي نصف خلية هو جهده مقاسًا بالنسبة لقطب الهيدروجين القياسي.
- جهد الأكسدة = – جهد الاختزال.
- الفلز الذي جهد اختزاله سالب (أنشط من الهيدروجين) يحل محل الهيدروجين من الأحماض المخففة.
اعرض الحل
الخلية (1) : Zn أنشط من الهيدروجين فالهيدروجين كاثود.
الخلية (2) : Cu أقل نشاطًا من الهيدروجين فالهيدروجين أنود.
الإجابة (ج).
وبتوصيل أنصاف خلايا لفلزات مجهولة بنصف خلية قياسية ومقارنة قراءة الفولتميتر يمكن ترتيب نشاط الفلزات:
اعرض الحل
الفلز الذي تنتقل منه الإلكترونات إلى Cu أنشط من Cu.
Q أقل نشاطًا من Cu.
فرق الجهد : Y أكبر ثم X ثم Z.
Q < Z < X < Y
الإجابة (ج).
القوة الدافعة الكهربية emf
- E°cell = E° (الكاثود) – E° (الأنود) = جهد أكسدة الأنود + جهد اختزال الكاثود.
- الكاثود هو القطب الذي جهد اختزاله أكبر، والأنود هو الأقل.
- إذا كانت emf موجبة فالتفاعل تلقائي ويمكن أن تعمل منه خلية جلفانية.
- أكبر emf نحصل عليها من أبعد فلزين في سلسلة الجهود.
اعرض الحل
(X) لا يذوب في HCl فهو أقل نشاطًا من الهيدروجين.
(Z) يذوب في HCl و (Y) يحل محل (Z) في محلول ملحه فهو أنشط منه.
Y > Z > H > X
أكبر emf من أكبر فرق في النشاط : (X) ، (Y)
الإجابة (ج).