حل وحدة الكيمياء الكهربائية كيمياء الصف 12 متقدم

حل وحدة الكيمياء الكهربائية كيمياء الصف 12 متقدم

حل وحدة الكيمياء الكهربائية 

الكيمياء الكهربائية 

الخلايا الفولتية 

الأكسدة والاختزال في الكيمياء الكهربائية 

الكيميائ الكهربائية هي دراسة عمليات الأكسدة والاختزال التي يتم من خلالها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية والعكس تعتبر العمليات الكهروكيميائية عمليات مفيدة في مجال الصناعة كما تعتبر ذات أهمية كبرى في الوظائف 

لقد تعلمت أن جميع تفاعلات الأكسدة الاختزال تتضمن عملية انتقال الالكترونات من المواد التي تتأكسد إلى الأنواع التي تختزل 

كيمياء الخلايا الفولتية 

تتكون الخلية الكهروكيميائية من جزأين يطلق عليهما نصفا الخلية حيث يحدث كل من تفاعلات الأكسدة والاختزال كل على حدة حيث يحتوي كل نصف على قطب ومحلول يحتوي على ايونات القطب هو مادة موصلة للكهرباء عادة ما تكون شريطاً فلزياً أو ساق من الجرافيت والذي يوصل الالكترونات داخل وخارج المحلول في الخلية النصفية نجد الكأس الذي يحتوي على قطب الخارصين حيث تحدث عملية الأكسدة والتي تعبر نصف تفاعل الأكسدة والاختزال كما نجد الاختزال والذي يحتوي على قطب النحاس حيث تحدث عملية الاختزال والتي تعتبر النصف الثاني للتفاعل الذي يحدث يطلق على التفاعل الذي يحدث في كل نصف من الخلايا النصفية تفاعلاً لخلية نصفية يطلق على الالكترود القطب حيث تحدث عملية الأكسدة الأنود يطلق على الالكترود حيث تحدث عملية الاختزال الكاثود 

الخلايا الفولتية والطاقة 

تذكر أن الطاقة الكامنة  للقطب ترجع إلى وضعه أو تكوينه في الكيمياء الكهربائية تعتبر الطاقة الكهربائية الكامنة مقياس لمقدار التيار الذي يمكن توليده من الخلية الفولتية للقيام بالشغل يمكن للشحنة الكهربائية الانتقال بين نقطتين فقط عندما يوجد اختلاف في الطاقة الكهربائية الكامنة بينهما في الخلية الكهروكيميائية هاتان النقطتان هما القطبان ويعتقد ان الألكترونات المتولدة عند الأنود جانب التأكسد يتم دفعها او تحريكها نحو الكاثود بواسطة القوة الدافعة الكهربائية 

حساب جهود الخلايا الكهروكيميائية 

تذكر أن عملية اكتساب الالكترونات تسمى الاختزال وبناء على هذه الحقيقة فإن ميل المادة لاكتساب الالكترونات هو جهد اختزال لا يمكن تحديد أمكانية الاختزال للقطب الكهربائي مباشرة حيث يجب اقتران تفاعل الاختزال النصفي مع تفاعل الأكسدة النصفي عند اقتران التفاعلين النصفيين مع بعضهما البعض يتوافق الجهد المتولد مع الفرق في الجهد بين التفاعلين يتم التعبير عن فرق الجهد الكهربائي بين النقطتين بالفولت 

قطب الهيدروجين القياسي 

قرر الكيميائيون منذ زمن بعيد قياس جهد القياسي يتكون قطب الهيدروجين القياسي من لوح صغير من البلاتين المغمور في محلول حمض الهيدروكلوريك الذي يحتوي على أيونات الهيدروجين بتركيز 1M ويتم ضخ غاز الهيدروجين في المحلول عند ضغط 1atm وتبقى درجة الحرارة ثابته عند 25 ويقدر هذا الجهد والذي يسمى أيضاً بجهد الاختزال القياسي لقطب الهيدروجين القياسي بمقدار 0.000v يمكن لهذا القطب أن بكون بمثابة تفاعل الأكسدة النصفي او تفاعل الاختزال النصفي تبعاً للخلية النصفية المتصلة به يتمثل التفاعلان المحتملان في القطب الكهربائي الهيدروجيني 

قياس جهد الخلية الكهروكيميائية 

يمكنك استخدام الجدول 1 لحساب الجهد الكهربائية للخلية الفولتية التي تتكون من قطبي النحاس والخراصين تحت الظروف القياسية  الخطوة الأولى هي تحديد جهد الاختزال القياسي للخلية النصفية للنحاس عند توصيل قطب النحاس بالقطب القياسي للهيدروجين تتدفق الألكترونات من القطب الهيدروجيني إلى قطب النحاس وتختزل ايونات النحاس إلى ذرات النحاس التي يتم قياسها بالفولتيمتر +0.342V يشير الجهد الموجب إلى أن أيونات Cu+ في قطب النحاس تكتسب الألكترونات بسهولة اكبر من أيونات H+ في القطب القياسي للهيدروجين لذلك فإن عملية الأكسدة تحدث عند قطب الهيدروجين وعملية الاختزال تحدث عند قطب النحاس تتمثل التفاعلات النصفية لعمليتي الأكسدة والاختزال والتفاعل الكلي 

الخلايا الجافة 

بعض التفاعلات التلقائية التي درستها توفر الطاقة للبطاريات التي تستخدمها يومياً البطارية هي خلية فولتية أو أكثر توجد في عبوة واحدة ينتج عنها تيار كهربائي  منذ ابتكار البطاريات في ستينيات القرن 9 عشر وحتى اليوم كان أكثر الخلايا الفولتية شيوعاً في الاستخدام هي خارصين – الكربون الجافة 

خلايا الخارصين – الكوبون الجافة 

تعرف الخلية الجافة بأنها خلية كهروكيميائية يكون فيها الالكتروليت عبارة عن عجينة رطبة تتكون العجينة الموجودة في خلية الخارضين – الكربون الجافة من كلوريد الخارصين وأكسيد المنجنيز وكلوريد الأمونيوم وكمية قليلة من الماء داخل عبوة الخارصين غلاف الخارصين هو أنود الخلية حيث تحدث أكسدة لفلز الخارصين 

البطاريات القلوية 

خلية جافة قلوية أكثر كفاءة حلت محل خلية الخارصين – الكربون القياسية الجافة في العديد من التطبيقات في الخلية القلوية يكون الخارصين على شكل مسحوق يوفر مزيداً من مساحة السطح للتفاعل يخلط الخراصين مع هيدروكسيد البوتاسيوم مكوناً معجوناً قلوباً قوياً ويكون المعجون في وعاء فولاذي مزيج الكاثود عبارة عن أكسيد منغنيز 

بطاريات الفضة 

إن بطارية الفضة أضغر تستخدم لتزويد الأجهزة بالطاقة مثل سماعات الأذن وساعات اليد والكاميرات تستخدم بطارية الفضة نفس التفاعل النصفي للأنود للبطارية القلوية مع التفاعل النصفي التالي للكاثود 

البطاريات الأولية والثانوية 

تنقسم البطاريات إلى نوعين وفقاً لعملياتها الكيميائية تصنف خلايا الخارصين – كربون والقلوية والفضة بأنها بطارية أولية 

البطارية الأولية : تنتج طاقة كهربائية عن طريق تفاعلات الاختزال والأكسدة التي لا يمكن عكسها بسهولة هذه الخلايا تقوم بإنتاج الطاقة الكهربائية حتى تنتهي المواد المتفاعلة وحينئذ يجب التخلص من البطارية اما البطاريات الأخرى والتي تعرف باسم البطاريات الثانوية 

فتعتمد على تفاعلات الأكسدة والأختزال انعكاسية لذا فهي قابلة لإعادة الشحن بطارية السيارة وبطاريات الحواسب المحمولة هي أمثلة على البطاريات الثانوية التي تعرف احياناً باسم بطاريات التخزين 

عادة ما تكون بطاريات التخرين التي تعمل على تشغيل اجهزة مثل المثقاب والمفكات الكهربائية والأت الحلاقة وكاميرات الفيديو للحصول على أقصى كفاءة يصنع كل من الأنود والكاثود من أشرطة في ملف ضيق وتغلف في غلاف فولاذي هو أكسدة الكادميوم في وجود قاعدة 

خلايا الوقود 

هي خلية فولتية يستخدم فيها تأكسد الوقود لأنتاج طاقة كهربائية تختلف خلايا الوقود عن البطاريات الخرى لأنها تزود بإمداد مستمر من الوقود من مصدر خارجي يعتقد كثير من الناس أن خلية الوقود هي ابتكار حديث ولكن اول خلية ظهرت عام 1839 وصنعها ويليام جروف وهو عالم كيمياء كهربائية بريطاني وقد سمى خليته بطارية الغاز ولم يبدأ العلماء العمل بجد في برنامج الفضاء حتى خمسينات العشرين حين تم تصنيع خلايا وقود عملية وتتمتع بالكفاءة إذا كان رواد الفضاء سيصعدون على متن مكوك فضائي 

مختبر تحليل البيانات 

التآكل 

في هذا الفصل درست تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية في الخلايا الفولتية تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية أيضاً في الطبيعة ومثال على ذلك صدأ الحديد المعروف عادة بالتآكل 

التآكل : هو خسارة الفلز التي تنشأ عن تفاعل اكسدة – اختزال بين لافلز وبعض المواد في البيئة 

وعلى الرغم من أنه عادة ما يعتقد ان التآكل هو تفاعل بين الحديد والأكسجين إلا أنه أكثر تعقيدأ من ذلك يجب أن يوجد كل من الماء والأكسجين لكي يحدث التآكل لهذا السبب يكون اي جسم من الحديد والذي تم تركه معرضاً للهواء والرطوبة عرضة للصدأ ويصدأ الجزء الملامس للأرض الرطبة اولاً 

التآكل هو عملية بطيئة لأن قطرات الماء تحتوي على أيونات قليلة لذلك فهي لا تعتبر إلكتروليتات جيدة ومع ذلك غذا احتوى الماء على ايونات وفيرة كما في ماء البحر أو في المناطق التي ترش فيها الطرقات بالملح في فصل الشتاء فيحدث التآكل بصورة أسوع لأن هذه المحاليل هي الكتروليتات ممتازة 

منع التآكل 

يتسبب صدأ السيارات والجسور والسفن وهياكل المباني والأجسام الفلزية الأخرى في حدوث اضرار كبيرة جداً لهذا السبب تم ابتكار عدة وسائل للتقليل من حدوث التآكل من الطرائق إضافة طبقة من الطلائ لعزل كل من الهواء والرطوبة ولكن نظراً لأن الطلاء يتآكل مع مرور الزمن تجب إعادة طلاء هذه الأجسام كأنبوب الوارد من حين لأخر 

من الطرائق الأخرى لمنع التأكل تغطية الحديد بفلز أخر اكثر مقاومة للصدأ في عملية الجلفنة يتم تغطية الحديد بطبقة من الخارصين أما عن طريق غمر الحديد في مصهور الخارصين او عن طريق طلائه بالخارصين كهربائيا بالرغم من ان الخارصين يتأكسد بصورة اكثر سهولة غلا انه أحد الفلزات التي تحمي ذاتها من مجموعة تتضمن ايضاً الالمنيوم والكروم عندما تتعرض هذه الفلزات للهواء فإن سكحها يتأكسد مكونة طبقة رقيقة من أكسيد الفلز تمنع مزيداً من التأكسد 

تحمي الجلفنة الحديد بطريقتين طالما بقيت طبقة الخارصين سليمة لن يصل الماء والأكسجين إلى سطح الحديد وحتما ستتشقق طبقة الخارصين وحيث يحدث ذلك يحمي الخارصين الحديد من التآكل السريع عن طريق انه يصبح انوداً للخلية الفولتية حين يلامس الماء والأكسجين الحديد والخراصين في نفس الوقت