مثال على أسئلة نقاش في الكيمياء الكهربائية
الكيمياء الكهربائية فرع من فروع الكيمياء يدرس العلاقة بين التفاعلات الكيميائية والتغيرات في الطاقة الكهربائية. في الكيمياء الكهربائية، يوجد مفهومان رئيسيان: الأكسدة (انبعاث الإلكترونات) والاختزال (اكتساب الإلكترونات). يمكن ملاحظة هاتين العمليتين في نوعين من الخلايا الكهروكيميائية: الخلايا الفولتية (الخلايا الجلفانية) والخلايا الإلكتروليتية. فيما يلي بعض الأمثلة مع شروحها لمساعدتك على فهم الكيمياء الكهربائية.
مثال السؤال 1: الخلية الفولتية
سؤال:
لدينا خلية فولطية ذات قطبين من الزنك (Zn) والنحاس (Cu) موصولين بجسر ملحي. يُغمر قطب الزنك في محلول كبريتات الزنك (ZnSO4) بتركيز 1 مولار، ويُغمر قطب النحاس في محلول كبريتات النحاس (CuSO4) بتركيز 1 مولار. اكتب التفاعلات التي تحدث عند كل قطب، واحسب فرق الجهد (القوة الدافعة الكهربائية) للخلية الفولطية. بيانات جهد القطب القياسي:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
مناقشة:
تتمثل الخطوة الأولى في تحديد تفاعل الأكسدة والاختزال الذي يحدث. في الخلية الفولتية، يحدث تفاعل أكسدة واختزال تلقائي حيث
– يخضع الزنك (Zn) للأكسدة:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– يخضع النحاس (Cu) لعملية الاختزال:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
إجمالي تفاعل الأكسدة والاختزال في الخلية الفولتية هو:
\[ \text{Zn (s)} + \text{Cu}^{2+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + \text{Cu (s)} \]
بعد ذلك، سنقوم بحساب فرق جهد الخلية:
\[ E_{\text{cell}} = E^o_{\text{cathode}} – E^o_{\text{anode}} \]
ديمانا:
- الكاثود هو القطب الذي يحدث فيه الاختزال (Cu).
– المصعد هو القطب الذي تحدث فيه عملية الأكسدة (Zn).
لهذا السبب،
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]
الاستنتاج:
– التفاعل الذي يحدث عند المصعد (الزنك):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– التفاعل الذي يحدث عند المهبط (Cu):
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
– فرق جهد الخلية (القوة الدافعة الكهربائية): 1.10 فولت
-
مثال السؤال 2: الخلية الإلكتروليتية
سؤال:
في عملية التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم، حدد التفاعلات التي تحدث عند المهبط والمصعد إذا تم استخدام قطب خامل، مثل البلاتين (Pt). احسب إجمالي الشحنة اللازمة لإنتاج 1 غرام من غاز الكلور (Cl₂). (الكثافة النسبية للكلور = 35.5)
مناقشة:
الخطوة الأولى هي كتابة التفاعلات التي تحدث عند كل قطب كهربائي في محلول ملح كلوريد الصوديوم.
– عند المهبط (الاختزال):
في هذه العملية، سيتم اختزال أيونات الهيدروجين (H+) من الماء:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– عند المصعد (الأكسدة):
سيخضع أيون الكلوريد (Cl-) للأكسدة ليصبح غاز الكلور (Cl2):
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
رد الفعل الكلي:
إذن، يكون التفاعل الكلي الذي يحدث في التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم كما يلي:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]
لحساب الشحنة المطلوبة لإنتاج 1 غرام من Cl2، نحتاج إلى تحديد عدد مولات Cl2:
كتلة الكلور (Cl₂) = 1 غرام
\[ \text{Ar Cl}_2 = 2 \times 35.5 = 71 \text{ غرام/مول} \]
عدد مولات Cl₂ = 1/71 مول
بناءً على معادلة التفاعل عند المصعد، يتم إنتاج 1 مول من Cl2 من 2 مول من الإلكترونات:
\[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
بمعنى آخر، يتطلب مول واحد من Cl2 مولين من الإلكترونات.
عدد مولات الإلكترونات:
عدد مولات الإلكترونات = 2 × 1/71 = 2/71 مول
يمكن حساب الشحنة المطلوبة باستخدام قيمة فاراداي (F = 96485 C/mol e^-):
\[ Q = n \times F \]
\[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{ mol}\right) \times 96485 \text{ C/mol} \]
\[ Q = 2718 \text{ C} \]
الاستنتاج:
– التفاعل عند المهبط:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– التفاعل عند المصعد:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
– إجمالي الشحنة المطلوبة لإنتاج 1 غرام من Cl2 هو 2718 كولوم.
-
المثال 3: علاقة نيرنست والظروف غير القياسية
سؤال:
احسب جهد خلية فولطية مصنوعة من أقطاب Ag/Ag+ بتركيز أيونات الفضة 0.1 مولار وأقطاب Zn/Zn2+ بتركيز 0.01 مولار. جهد القطب القياسي هو:
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
مناقشة:
الخطوة الأولى هي تدوين ردود الفعل التي تحدث:
– الأكسدة عند المصعد (الزنك):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– الاختزال عند المهبط (Ag):
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag (s)} \]
التفاعل الكلي:
\[ \text{Zn (s)} + 2\text{Ag}^{+} (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2\text{Ag (s)} \]
استناداً إلى معادلة نرنست:
\[ E_{\text{Cell}} = E^o_{\text{Cell}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{product}]}{[\text{reactant}]} \right) \]
ديمانا:
\[ n = 2 \]
أولاً، احسب E^o_{\text{Sel}}:
\[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
بعد ذلك، احسب جهد الخلية الفعلي عند التركيز المحدد:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
\[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
\[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
الاستنتاج:
– تبقى التفاعلات التي تحدث عند المصعد والمهبط كما هي
– يبلغ جهد الخلية عند تركيز معين 1.56 فولت
تُبيّن هذه المقالة كيفية حلّ أنواعٍ عديدة من المسائل في الكيمياء الكهربائية، بما في ذلك المسائل المتعلقة بالخلايا الفولتية، والخلايا الإلكتروليتية، والحسابات باستخدام معادلة نرنست. يُعدّ الفهم العميق لمبادئ تفاعلات الأكسدة والاختزال، والقدرة على استخدام البيانات الكهروكيميائية، أساسيين لنجاح حلّ هذه المسائل.
