الخلايا الكهروكيميائية — الجهد والتحليل الكهربائي

الخلايا الكهروكيميائية — الجهد والتحليل الكهربائي

في هذا الدرس ندرس موضوع "الخلايا الكهروكيميائية — الجهد والتحليل الكهربائي" في اختبار التحصيلي SAAT — الفرع العلمي (الكيمياء). هذا الموضوع ضروري لفهم تحول الطاقة الكيميائية لطاقة كهربائية. سنقدم شرحاً مبسطاً مع أمثلة تطبيقية ونماذج أسئلة.

المفهوم الأساسي

موضوع "الخلايا الكهروكيميائية" يتعلق بفهم بنية اختبار SAAT. لإتقان هذا الموضوع يجب الإلمام بالمفاهيم التالية:

• الخلايا الجلفانية: تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهربائية — البطارية — تفاعل تلقائي
• التحليل الكهربائي: تحويل الطاقة الكهربائية إلى كيميائية — مصنع — تفاعل غير تلقائي
• المصعد (الأنود): قطب الأكسدة — يفقد إلكترونات — في الجلفانية هو القطب السالب
• المهبط (الكاثود): قطب الاختزال — يكتسب إلكترونات — في الجلفانية هو القطب الموجب
• الجسر الملحي: يصل الخليتين ويوازن الشحنات — شرط استمرار التفاعل
• جهد الخلية: ق = جهد المهبط - جهد المصعد — موجب للتلقائي

شرح تفصيلي

لدراسة "الخلايا الكهروكيميائية" بشكل متقن، نتبع المنهج التالي: فهم القاعدة الأساسية، الاطلاع على الأمثلة المتعددة، ثم التطبيق العملي على أسئلة متنوعة. كلما تدربت أكثر، أصبحت أكثر إتقاناً للمادة.

الكيمياء الكهربائية تدرس تحول الطاقة بين الشكلين: الخلية الجلفانية تولد تياراً من تفاعل تلقائي (بطارية الهاتف)، والتحليل الكهربائي يستخدم تياراً لإجبار تفاعل غير تلقائي (طلاء المعادن، استخلاص الألمنيوم). التمييز بينهما أول أسئلة هذا الدرس.

قاعدة الأقطاب الذهبية: أكسدة = فقدان إلكترونات = المصعد (الأنود) — واختزال = اكتساب = المهبط (الكاثود). وحفظها بذاكرة "الأكسدة تبدأ بالألف — الأنود أيضاً" — وفي الجلفانية: الأنود سالب (مصدر الإلكترونات) والكاثود موجب (مستقبلها). أما في التحليل الكهربائي فينعكس: الأنود موجب (يجذب الأنيونات) والكاثود سالب.

الجسر الملحي: بدون توازن الشحنات يتوقف التفاعل فوراً — الجسر يسمح بانتقال الأيونات بين المحلولين: في خلية الزنك/النحاس — الزنك يتأكسد (يذوب مطلقاً أيونات زنك موجبة) فيحتاج تعويض الشحنات، والنحاس يترسب فيفرغ محله من أيونات النحاس — الجسر يعادل الاثنين بأيوناته.

الحسابات الأساسية

الأسئلة الحسابية في SAAT:

1. جهد الخلية: ق = ق(الكاثود) - ق(الأنود) — مثال: نحاس (+0.34) وزينك (-0.76): ق = 0.34 - (-0.76) = 1.10 فولت.
2. التلقائية: جهد موجب ← تفاعل تلقائي (جلفانية) — وسالب ← غير تلقائي (يحتاج كهرباء).
3. قانون فاراداي: كتلة المادة المترسبة = (الكتلة المولية ÷ الشحنة) × (التيار × الزمن ÷ 96500).
4. العلاقة المبسطة: عدد المولات المترسبة = كمية الكهرباء ÷ (شحنة الأيون × 96500).
5. التحليل الكهربائي للماء: 2H₂O ← 2H₂ + O₂ — المهبط يطلق الهيدروجين والمصعد الأكسجين.
6. طلاء الفضة: قطعة معدنية كاثود، وقضيب فضة أنود — تترسب الفضة على القطعة.

مثال قانون فاراداي مبسط: يمر تيار 2 أمبير لمدة 9650 ثانية في محلول نحاس (شحنة أيونه 2+): كمية الكهرباء = 2 × 9650 = 19300 كولوم — المولات = 19300 ÷ (2 × 96500) = 0.1 مول — وكتلة النحاس = 0.1 × 63.5 = 6.35 غرام.

مثال محلول خطوة بخطوة

السؤال: "خلية جلفانية من زنك وقضيب فضة. جهود: فضة +0.80، زنك -0.76. احسب جهد الخلية وحدد القطب الموجب."

الخطوة الأولى: تحديد القطبين: الفضة أعلى جهداً ← الكاثود (اختزال)، والزنك ← الأنود (أكسدة). الخطوة الثانية: الحساب: ق = 0.80 - (-0.76) = 1.56 فولت. الخطوة الثالثة: التلقائية: موجب ← تلقائي — الخلية تعمل بطارية. الخطوة الرابعة: القطب الموجب: الكاثود = الفضة (المكان الذي يحدث فيه الاختزال). الإجابة: الجهد 1.56 فولت، والقطب الموجب قضيب الفضة.

سؤال اختبار (MCQ)

السؤال: في الخلية الجلفانية، الإلكترونات تنتقل من:

1. أ) الكاثود إلى الأنود عبر الجسر الملحي
2. ب) الأنود إلى الكاثود عبر السلك الخارجي
3. ج) الأنود إلى الكاثود عبر الجسر الملحي
4. د) الكاثود إلى الأنود عبر السلك الخارجي

الإجابة الصحيحة: ب

الشرح: الخيار (ب) صحيح: الإلكترونات تنطلق من الأنود (الأكسدة — فقدان) وتنتقل عبر السلك الخارجي إلى الكاثود (الاختزال — اكتساب) — فهي التي تولد التيار. (أ، د) عكس الاتجاه، و(ج) الجسر الملحي يمرر الأيونات لا الإلكترونات.

تطبيق إضافي

السؤال: ما وظيفة الجسر الملحي في الخلية الجلفانية؟

الإجابة: تعادل الشحنات بين المحلولين بانتقال الأيونات — فيستمر التفاعل ولا يتوقف عند تراكم الشحنات.

الشرح: بدون الجسر: الأنود يشبع محله بالأيونات الموجبة فيتوقف، والمهبط ينضب أيونه فيتوقف — الجسر يحرك الأيونات بينهما فيستمر التيار.

خلاصة الدرس

الخلايا الكهروكيميائية في SAAT تعتمد على: التمييز بين الجلفانية (تلقائية ← كهرباء) والتحليل (كهرباء ← تفاعل غير تلقائي)، وقاعدة الأقطاب (أكسدة = أنود، اختزال = كاثود) مع انعكاس الإشارة في التحليل، ووظيفة الجسر الملحي، وحساب الجهد (ق = كاثود - أنود) والحكم على التلقائية، وقانون فاراداي للمولات والكتل. القاعدة: اربط الأكسدة بالأنود دائماً، وتذكر أن الإلكترونات تسير في السلك والأيونات في الجسر.