خلاصة في الكيمياء الكهربية - كيمياء ثانوية عامة

استعرض الموضوع السابق استعرض الموضوع التالي اذهب الى الأسفل

06052014

مُساهمة 

. خلاصة في الكيمياء الكهربية - كيمياء ثانوية عامة




الكيمياء الكهربية    علم يهتم بدراسة التحول المتبادل بين الطاقة الكيميائية والطاقة الكهربية من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال
 تعريف : القوة الدافعة الكهربية     هي مجموع جهدي التأكسد والاختزال أو فرق جهدي التأكسد أو فرق جهدي الاختزال لقطبي الخلية  .
. القوة الدافعة الكهربية = جهد تأكسد الأنود  + جهد اختزال الكاثود
القوة الدافعة الكهربية = جهد تأكسد الأنود  - جهد تأكسد الكاثود
القوة الدافعة الكهربية = جهد اختزال الكاثود  - جهد اختزال الأنود
السلسلة الكهروكيميائية  هى  ترتيب جهود التأكسد القياسية تنازليا أو جهود الاختزال القياسية تصاعديا( بالنسبة لقيمة الصفر لجهد قطب الهيدروجين القياسي )
الخلايا الإلكتروليتية   خلايا يتم فيها تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة كيميائية على هيئة تفاعل أكسدة واختزال بشكل غير تلقائي لأنه يعتمد على مصدر دائم للتيار
نصف خلية إلكتروليتية:  نظام يتكون من وعاء به موصل ( لوح أو سلك) مغمورا جزئيا في محلول لأحد أملاحه
قطب الهيدروجين القياسي  يتكون قطب الهيدروجين القياسي من صفيحة من البلاتين مغطاة بطبقة إسفنجية من
البلاتين الأسود يمرر عليها تيار من غاز الهيدروجين تحت ضغط جوي ومغمورة في  محلول واحد مولار من أي حمض قوي ويسمى قطب الهيدروجين تحت هذه الظروف بقطب الهيدروجين القياسي وجهده = صفر ويتغير عن الصفر بتغير تركيز أيون الهيدروجين في المحلول أو بتغير الضغط الجزيئي للغاز ويرمز لنصف خلية الهيدروجين القياسية
بالرمز الإصطلاحي Pt + H2 ( 1 atm.) / H+    :                  
الخلايا الأولية   :-هي أنظمة تختزن الطاقة في صورة كيميائية والتي يمكن تحويلها عند اللزوم ألى طاقة كهربائية وذلك من خلال تفاعل أكسدة واختزال تلقائي غير إنعكاسي ويتوقف هذا النوع من الخلايا عن العمل عندما تستهلك مادة المصعد وتنضب أيونات نصف خلية المهبط  ، و لا يمكن إعادة شحنها
الخلايا الثانوية  وهى خلايا يمكن إعادة شحنها  أي أن تفاعلاتها الكيميائية تفاعلات إنعكاسية وتختزن الطاقة الكهربية على هيئة طاقة كيميائية والتي يمكن تحويلها مرة أخرى إلى طاقة كهربية عند اللزوم
الكولوم      كمية الكهرباء التي لو أمرت في محلول نترات الفضة لمدة ثانية لترسب 1.118 مجم فضة
أو كمية الكهربية التي تنتج من إمرار تيار شدته أمبير لمدة ثانية واحدة خلال موصل  
الفاراداي كمية الكهرباء اللازمة لترسيب أو تصاعد الكتلة المكافئة ( المكافيء الجرامي) من أي مادة ويساوي 96500 كولوم
القانون الأول لفاراداى    تتناسب كمية المادة المتكونة أو المستهلكة عند أي قطب سواء كانت غازية أو صلبة تناسبا طرديا مع كمية الكهرباء التي تمر في المحلول الإلكتروليتي
القانون الثانى لفاراداى           عند مرور كمية ثابتة من التيار الكهربي فى محاليل أملاح مختلفة متصلة على التوالي فإن كتل المواد المتكونة عند الأقطاب تتناسب مع كتلها المكافئة
القانون العام للتحليل الكهربي
عند مرور واحد فاراداي (96500 كولوم) خلال إلكتروليت فإن ذلك يؤدي إلى ذوبان أو تصاعد أو ترسيب كتلة مكافئة جرامية من المادة عند أحد الأقطاب
القوانين المستخدمة في حل مسائل الكهربية
كمية الكهرباء ( بالكولوم ) = شدة التيار ( بالأمبير) ×  زمن المرور( بالثانية )
كتلة المادة ( أ )     كتلة مكافئة للمادة ( أ )
                =                             وذلك عند مرور نفس كمية التيار في محلولين أ وب
كتلة المادة ( ب )   كتلة مكافئة للمادة ( ب )

الذرة الجرامية = الكتلة المكافئة × التكافؤ  
كمية الكهرباء بالفاراداي اللازمة لترسيب جرام/ذرة ( مول) أو ذرة جرامية
                                     = الفاراداي × التكافؤ
فمثلا كمية الكهرباء اللازمة لترسيب جرام/ذرة من النحاس بناء على التفاعل
Cu2+       +       2e-                           Cu                 يساوي  2 فاراداي
                                     كمية الكهرباء بالكولوم × الكتلة المكافئة
كتلة المادة المترسبة (بالجرام)  =
                                                   96500                    
                           شدة التيار بالأمبير × الزمن بالثواني × الكتلة المكافئة
كتلة المادة المترسبة (بالجرام)  =
                                                   96500
كمية الكهرباء اللازمة لتصاعد مول من أي غاز (22.4لتر )= فاراداي × التكافؤ × 2
أهم تعليلات الباب الثامن
علل زوال لون كبريتات النحاس عند وضع ساق خارصين في محلولها
لأن الخارصين يحل محل النحاس وتتكون كبريتات خارصين عديمة اللون
علل لا يمكن الحصول على طاقة كهربية عند وضع ساق خار صين في محلول كبريتات نحاس ؟
بسبب ترسب النحاس على صفيحة الخارصين فينعزل عن المحلول وبالتالي يقف التفاعل بعد فترة
علل: الخارصين يحل محل النحاس فى محاليل أحد أملاحه بينما لا يحل النحاس محل الخارصين فى محاليل أملاحه
لأن جهد تأكسد الخارصين أعلى من جهد تأكسد النحاس فيكون أكثر نشاطاً منه ولذلك يحل محله فى  محاليل أملاحه
علل: لا تحفظ قطرة نترات الفضة في أوعية نحاسية
لأن جهد تأكسد النحاس أعلى من جهد تأكسد الفضة فيكون أكثر نشاطاً من الفضة فيحل محلول نترات الفضة
علل: عدم وضع محلول كبريتات النحاس في أواني حديدية
لأن جهد  تأكسد الحديد أعلى من تأكسد النحاس ولذلك فهو أكثر نشاطاً من النحاس فيحل محله في محلول كبريتات النحاس
علل يتوقف التيار الكهربي في خلية دانيال بعد فترة  ؟
ويتوقف مرور التيار الكهربي بين نصفي الخلية عندما يذوب كل فلز الخارصين في نصف خلية الخارصين أو تنضب أيونات النحاس بسبب ترسبها على هيئة ذرات نحاس في نصف خلية النحاس
 علل الخلايا الجلفانية يعتبر الآنود هو القطب السالب بينما يعتبر الكاثود هو القطب الموجب  ؟ .
  تفسير ذلك : أنه فى الخلايا الجلفانية تحدث عملية الأكسدة عند الآنود مما يؤدى إلى تحرر الإلكترونات عنده وهى مصدر الشحنة الكهربائية التي  تسرى خلال   سلك التوصيل إلى الكاثود   لذ يعتبر الآنود فى الخلية الجلفانية هو القطب السالب ( حيث تتم عملية الأكسدة) بينما  يعتبر الكاثود الذى يستقبل الإلكترونات هو القطب الموجب ( حيث تتم عملية الأخترال)  .
علل توجد  القنطرة الملحية فى الخلايا الجلفانية :
1- حتى لا يتوقف سريان التيار الكهربائي عبر سلك التوصيل نتيجة :
(أ) تشبع محلول نصف خلية النحاس : بأيونات الكبريتات السالبة
(ب) تشبع محلول نصف خلية الخارصين: بأيونات الخارصين الموجبة .
2- تقوم بمعادلة الشحنات الموجبة والسالبة التي تتكون في محلولي نصف الخلية نتيجة تفاعل الأكسدة والاختزال
3- تمنع القنطرة تكون فرق جهد بين محلولي نصف الخلية
علل: القوة الدافعة الكهربية هي المجموع الجبري لجهد التأكسد والاختزال الحادث فى الخلية وهى تساوى أيضا فرق جهدي التأكسد لقطبي الخلية ؟
لأن القيمة العددية لجهد الاختزال هي نفسها القيمة لجهد الأكسدة ولكن بإشارة مخالفة
علل: السلسلة الكهروكيمائية رتبت فيها جميع الفلزات ترتيباً تنازلياً حسب جهود التأكسد القياسية بالنسبة لقطب الهيدروجين القياسي
لأن جهد التأكسد لقطب الهيدروجين القياسي = صفر
علل الخلايا الأولية لا يمكن إعادة شحنها مرة أخرى لآن المواد الداخلة في تركيبها تستنفذ
علل تسمى الخلايا  الأولية بالخلايا الجافة ؟
لأن المواد الإلكتروليتية تكون في صورة جافة وليست سائلة
علل: تحتوى عجينة الكاثود في  العمود الجاف على ثاني أكسيد المنجنيز
ثاني أكسيد المنجنيز يؤكسد الهيدروجين الناتج من اختزال كاتيون الأمونيوم عند الكاثود ويتحول إلى ماء فيمنع حدوث استقطاب الجرافيت كما أن الماء الناتج يجعل العجينة دائما رطبة
علل يجب التخلص من بطارية الزئبق بطريقة آمنة ؟
يجب التخلص من هذه البطارية بطريق آمنة لأنها تحتوي على الزئبق وهو مادة سامة
علل خلية الزئبق تستخدم في سماعات الأذن والساعات  ؟
لصغر حجمها
علل يفضل استخدام بطارية الكادميوم – نيكل عن البطاريات الجافة ؟
لأنها خلية ثانوية يمكن إعادة شحنها من جديد
علل تعتبر بطارية الكادميوم – نيكل القلوية خلية إنعكاسية ؟
لأن عند توصيلها بمصدر كهربي خارجي قوتها الدافعة الكهربية أكبر قليلا من تيار الخلية تنعكس التفاعلات فتتحول تفاعلات الأكسدة إلى تفاعلات إختزال وتفاعلات الإختزال إلى تفاعلات أكسدة وتتحول إلى خلية تحليلية
علل يمكن التعرف على حالة بطارية السيارة من كثافة حمض الكبريتيك الموجود بها ؟
لأنه إذا قلت كثافة الحمض إلى أقل من 1.2 جم/سم3 فهذا يعني حاجة البطارية إلى إعادة الشحن
علل: في الخلايا الجلفانية الكاثود هو القطب الموجب و الأنود هو القطب السالب
لأن الأنود تحدث عنده عملية أكسدة تؤدى إلى تكون الالكترونات وهى مصدر التيار الكهربي أما الكاثود هو القطب الموجب تحدث عنده عملية إختزال لأنه يستقبل الالكترونات
علل: يجب إعادة شحن مركم الرصاص من وقت لآخر
نتيجة استهلاك حمض الكبريتيك و زيادة كمية الماء فيضعف التيار الكهربي ويتحول الرصاص و ثاني أكسيد الرصاص إلى كبريتات رصاص
علل: استعمال المركم الرصاصي لمدة طويلة تقل شدة التيار
نتيجة استهلاك حمض الكبريتيك وزيادة كمية الماء وتغطية الأنود و الكاثود بكبريتات الرصاص فيضعف التيار الكهربي
علل: الكاتيونات تختزل عند الكاثود بينما الأنيونات تتأكسد عند الأنود  
الكاتيونات تختزل عند الكاثود لأنها تكتسب الكترونات أما الأنيونات تتأكسد عند الأنود لأنها تفقد الكترونات
علل: طلاء المعادن بالكهرباء له أهمية اقتصادية كبيرة
لأنها تحمى الفلز الأصلي من الصدأ و التآكـل وتعطيه مظهر لامع وأيضاً يمكن أن تغطيه بفلز نفيس مثل الذهب أو الفضة
علل يجب استبدال  أقطاب الكربون من وقت لآخر عند استخلاص فلز الألومنيوم
لأن الأكسيجين المتصاعد يتفاعل مع أقطاب الكربون مكونا غازات أول وثاني أكسيد الكربون
        +   2C                       CO    +    CO2            3/2 O2  
مما يسبب تآكل أقطاب الكربون ولذلك يجب إستبدالها من وقت لآخر
علل يستخدم حاليا مخلوط من أملاح فلوريدات الألومنيوم والصوديوم والكالسيوم بدلا من الكريولايت عند استخلاص فلز الألومنيوم  ؟
يستبدل الكريولايت بمخلوط من فلوريد الألومنيوم والصوديوم والكالسيوم حيث يخفض من درجة الانصهار ويقلل من كثافة المصهور مما يسهل من فصل الألومنيوم  والذي يكون راسبا في قاع خلية التحليل
علل أهمية انخفاض كثافة المصهور الذي يستخلص منه فلز الألومنيوم  ؟
حتى يسهل من فصل الألومنيوم  
علل يضاف فلوروسبار عند استخلاص الألومنيوم من البوكسيت كهربيا ؟
يضاف مع البوكسيت (Al2O3) المذاب في مصهور الكريولايت (Na3AlF6)  قليل من الفلوروسبارCaF2) ) لخفض درجة انصهار المخلوط من 2045 إلى 950 م
علل لا يفضل استخدام نحاس تقل درجة نقاوته عن 99.95 % في صناعة أسلاك الكهرباء
لأن  النحاس (99%) : يحتوى على شوائب من الحديد و الخارصين والذهب التي تقلل من قابلية النحاس للتوصيل الكهربائي حتى لو كانت بتركيزات قليلة . لذا يستخدم التحليل الكهربائي لتنقية النحاس من الشوائب غير المرغوبة لتصبح درجة نقاؤه عالية (95 ,99%) وهى المطلوبة فى أسلاك التوصيل الكهربائي
علل: مع أن شوائب الحديد و الخارصين تكون مختلطة بالنحاس الخام ولكنها لا تترسب على الكاثود عند تنقية النحاس بالتحليل الكهربي
لصعوبة اختزال أيونات الحديد و الخارصين بالنسبة لأيونات النحاس لأن جهد اختزالها أقل من جهد اختزال كاتيونات النحاس تبعا للسلسلة الكهروكيميائية
علل شوائب الذهب تتساقط أسفل المصعد عند تنقية فلز النحاس كهربيا ؟
لصعوبة تأكسدها (جهد تأكسدها منخفض )
علل: يهتم العلماء اهتماما كبيراً بالتحليل الكهربي وتطوير أبحاثه
لأنه يستخدم فى الطلاء بالكهربية و تحضير بعض المواد فى الصناعة و تنقية المعادن و إنتاج كمية وافرة من الماء وأيضاً فى الحصول على مصادر للتيار الكهربي مثل البطاريات
علل الخلية الجلفانية خلية انعكاسية ؟  
عند إمرار كمية من الكهربية أكبر قليلا من الكمية الناتجة من الخلية الجلفانية يستمر التيار في  الاتجاه الذي يسببه المصدر الخارجي فيحدث انعكاس للتفاعل التلقائي الذى كان يحدث فى الخلية فينعكس تفاعل الأكسدة إلى اختزال و الاختزال إلى أكسدة
ملحوظة
1-: جهد التأكسد لفلز = جهد الاختزال له بإشارة مخالفة
القوة الدافعة الكهربائية لخلية دانيال = جهد تأكسد الخارصين + جهد اختزال النحاس = 0.76+  0.34= 1.1 فولت
2- كلما زادت قيمة جهد التأكسد: كلما دل ذلك على سهولة تأكسد العنصر لأيوناته الموجبة (أو سهولة تأكسد أيون سالب) .
3- عند مقارنة قيمة جهدي التأكسد لقطبين فإن القيمة الأكبر تدل على القطب الذي سيحدث عنده التأكسد
( الأنود) والقيمة الأصغر تدل على القطب الذي سيحدث عنده الاختزال ( الكاثود ) ،إذا ما تم توصيلهما .
4- يمكننا التنبؤ من قيم جهدي التأكسد عما إذا كان التفاعل التلقائي بينهما ممكناً أم لا ، و بالتالي إمكانية إنتاج طاقة كهربائية وذلك :
  بحساب مجموع جهد التأكسد لأحدهما وجهد الاختزال للآخر، فإذا ما كان  المجموع موجباً دل ذلك على إمكانية حدوث التفاعل التلقائي وإنتاج الطاقة الكهربائية والعكس صحيح .
5- كلما زاد جهد التأكسد كلما كان الفلز أكثر نشاطا و بالتالي يمكن إحلال أيوناته محل أيونات فلز أقل نشاطا (أقل في قيمة جهد التأكسد) .
6-العناصر المتقدمة في المتسلسلة تحل محل العناصر التي يليها في محاليل أملاحها وكلما زاد البعد في الترتيب بين عنصرين كلما زادت قدرة العنصر المتقدم ( ذو جهد تأكسد عالي) على طرد العنصر المتأخر (ذو جهد تأكسد منخفض)
7-جميع  العناصر التي تقع فوق الهيدروجين في سلسلة الجهود تحل محل أيونات الهيدروجين في المحاليل الحامضية (أي يتصاعد الهيدروجين  ) بينما العناصر التي تلي الهيدروجين لا يمكنها أن تحل محله فى محاليل  الأحماض  
8-جهد الاختزال للعناصر التي تسبق الهيدروجين بإشارة سالبة  وتعتبر عوامل مختزلة لأنها تتأكسد بسهولة والتي تلي الهيدروجين بإشارة موجبة  وتعتبر عوامل مؤكسدة  لأنها تختزل بسهولة
9-العنصر الأقل جهد اختزال (أكثر جهد تأكسد) أكثر نشاطا يحل محل العنصر الأعلى جهد اختزال(أقل جهد تأكسد) الأقل نشاطا
مسائل على الجهد الكهربي
: خلية جلفانية مكونة من قطب ماغنسيوم فى محلول كبريتات ماغنسيوم تركيزه مول / لتر وقطب رصاص فى محلول نيترات رصاص II تركيزه  مول / لتر  اوجد ق . د . ك للخلية أذا علمت ان جهد تأكسد الماغنسيوم 2.363 فولت وجهد تأكسد الرصاص 0.126 فولت
ثم أكتب الرمز الاصطلاحى للخلية
الحلـ
 جهد تأكسد الماغنسيوم اكبر من جهد تأكسد الرصاص    الماغنسيوم انود والرصاص كاثود
ق . د . ك = جهد تأكسد الماغنسيوم + جهد أختزال الرصاص
=     2.363               +      (- 0.126) = 2.237 فولت
    Mg  / Mg+2                Pb+2  /  Pb      الرمز الاصطلاحى                        

: إذا علمت أن جهد الاختزال القياسى لكل من قطب القصدير Sn+2 / Sn (0.14) فولت ولقطب الفضة Ag+ / Ag    ( 0.8) فولت . اوجد ق . د . ك للخلية الجلفانية المكونة منهما
ثم أوجد الرمز الاصطلاحى للخلية.
الحل
 جهد اختزال الفضة أكبر من جهد اختزال القصدير    الفضة كاثود والقصدير أنود
ق . د . ك = جهد تأكسد القصدير + جهد أختزال الفضة
 = - 0.14               + 0.8      = 0.66 فولت Ag+ / Ag     Sn / Sn+2    

: اكتب الرمز الاصطلاحى لخلية جلفانية يمثلها التفاعل Zn + 2 H+   →   Zn+2 + H2
الحلـ
من المعادلة يتضح حدوث اكسدة للخارصين واختزال للهيدروجين
 يمثل قطب الخارصين انود الخلية الجلفانية وقطب الهيدروجين يمثل كاثود الخلية
Zn / Zn+2    2H+ / H2

: أحسب فرق الجهد الناتج بالفولت لكل من التفاعلات الاتية
1- Mg + Cl2    →     Mg+2 + 2Cl-
2- Cl2 + 2Br-    →     Br2   + 2Cl-
اذا علمت ان جهد اختزال Mg ( - 2.363 ) ، Br ( 1.065) ، وجهد أكسدة Cl ( - 1.36 ) فولت
الحل
- من المعادلة رقم 1 يتضح حدوث أكسدة للماغنسيوم  وأختزال للكلور
ق . د . ك = جهد تأكسد الماغنسيوم + جهد أختزال الكلور = 2.363 + 1.36 = 3.723 فولت
- من المعادلة رقم 2 يتضح حدوث أكسدة للبروم  وأختزال للكلور
ق . د . ك = جهد تأكسد البروم + جهد أختزال الكلور = - 1.065 + 1.36 = 0.295فولت

: وضح ما إذا كانت التفاعلات الاتية تحدث تلقائياً ام لا
1- Fe+2 + Ni     →      Fe + Ni+2
علماً بأن جهود الاختزال القياسية للحديد ( - 0.44 ) فولت وللنيكل ( - 0.25 ) فولت
2- Zn + 2 Cr+3   →   Zn+2 + 2Cr+2
علماً بأن جهود الاكسدة القياسية للخارصين ( 0.76 ) فولت و للكروم ( 0.41 ) فولت
الحل
* يتضح من المعادلة 1 حدوث عملية أكسدة للنيكل وأختزال للحديد
ق . د . ك = جهد تأكسد النيكل + جهد أختزال الحديد = 0.25 + ( - 0.44 ) = - .019 فولت
حيث ان قيمة ق . د . ك بأشارة سالبة فأن هذا التفاعل لا يحدث تلقائياً
* يتضح من المعادلة 2 حدوث عملية أكسدة للخارصين وأختزال للكروم
ق . د . ك = جهد تأكسد الخارصين + جهد أختزال الكروم = 0.76 + ( - 0.41 ) = 0.35 فولت
حيث ان قيمة ق . د . ك بأشارة موجبة فأن هذا التفاعل يحدث تلقائياً
Zn / Zn+2     Cr+3 /  Cr+2      
الاعتبارات التي يجب اتخاذها عند بناء خلية تجارية متداولة :
 أهم هذه الاعتبارات أن تكون :  (أ) متماسكة       (ب) سهلة الحمل والتداول
(ج) لها القدرة على إعطاء تيار كهربائي شديد حتى تكون لها جدوى اقتصادية عالية .  
 
الخلية الجافة                
تتركب من :    ( أ )  النصف الأول للخلية: يتكون مصعد( أنودا ) من  الخارصين على شكل علبة  ويعمل (كقطب سالب) حيث أنه مصدر للإلكترونات
(ب) النصف الثاني للخلية:بداخل علبة الخارصين مكونات المهبط وهى عبارة عن عجينة رطبة من  ثاني أكسيد المنجنيز ( كمادة مؤكسدة ) تحيط بعمود من الكربون }عمود جرافيت  كموصل   {و كلوريد الأمونيوم كإلكتروليت
ج)- في بعض الخلايا يكون الإلكتروليت خليط من كلوريد أمونيوم و كلوريد خارصين وفي البعض الآخر يستخدم كلوريد خارصين فقط  
Zn   + 2MnO2   +  2 NH+4                       Zn2+   +   2 MnO(OH)   +  2 NH3              
تعطي الخلية الجافة  قوة دافعة كهربية (فرق الجهد ) = 1.5 فولت
خلية الزئبق    شكلها اسطواني أو على هيئة قرص وتتميز بصغر حجمها ولذلك تستخدم في سماعات الأذن والساعات و الآلات الخاصة بالتصوير                
تتكون من    1- الأنود ( القطب السالب)  : من الخارصين  
             2- الكاثود ( القطب الموجب  ) : من أكسيد الزئبق
             3- الإلكتروليت                : هيدروكسيد بوتاسيوم
التفاعل الكلي في الخلية :Zn   +   HgO                ZnO   +  Hg                  
القوة الدافعة الكهربية لهذه الخلية = 1.35 فولت
أولا بطارية نيكل – كادميوم القلوية
الأنود  :-كادميوم       ،         الكاثود :- النيكل       ،    الإلكتروليت :- (KOH )
التفاعل الكلي الحادث في الخلية هو
2NiO(OH)     +    Cd   +  2H2O                     2Ni(OH)2        +   Cd(OH)2  

جهد هذه الخلية = 1.3 فولت ويمكن إعادة شحنها عن طريق توصيلها بمصدر تيار خارجي لتعود مكوناتها إلى حالتها الأصلية          
ثانيا : بطارية الرصاص الحامضية  ( بطارية السيارة )
تتكون من 6 خلايا موصلة على التوالي وتنتج كل خلية 2 فولت
ويكون الجهد الكلي للبطارية + 12 فولت
الأنود :- شبكة من الرصاص مملوءة برصاص إسفنجي (pb)
الكاثود:- شبكة من الرصاص مملوءة بعجينة من ثاني أكسيد الرصاص (PbO2) وتفصل الألواح عن بعضها بمادة عازلة
المادة الإلكتروليتية :- حمض الكبريتيك المخفف
وعاء البطارية   :- يصنع من المطاط أو البلاستيك ( البولي سترين) الذي لا يتأثر بالأحماض
تفاعلات التفريغ
1:- عند الأنود Pb(s)   +  SO4--                       PbSO4(s)   +  2 e          
جهد التأكسد القياسي = 0.36  فولت
2:- عند الكاثود :-
                              PbSO4(s)    +  2H2O  PbO2(s)  +  4H+  + SO4--  +    2 e-
جهد الاختزال القياسي = 1.69 فولت
3- التفاعل الكلي في البطارية
                2 PbSO4(s)    +  2H2O    PbO2(s)  +  4H+  +2 SO4--             +   Pb
القوة الدافعة الكهربية للبطارية =   0.36    +  1.69  = 2.05 فولت  × 6 = 12 فولت تقريبا
إعادة شحن البطارية ( المر كم الرصاصي) :
عند استعمال المركم الرصاصي لمدة طويلة يحدث الآتي :
1- ضعف تركيز حمض الكبريتيك : نتيجة لاستهلاكه وزيادة كمية الماء الناتجة من التفاعلات الحادثة .
2- يستنفذ ثاني أكسيد الرصاص وينشأ عن ذلك نقص فى كمية التيار الكهربائي المستمد من المركم ويحتاج إلى إعادة شحن .
ملحوظة هامة  
1- عندما يضعف تركيز الحمض يصبح مخففا وتقل كثافته .  لذا يكشف عن مدى كفاءة البطارية بقياس كثافة الحمض بمقياس الكثافة "هيدروميتر"
2- فحينما تكون البطارية كاملة الشحن تكون كثافة الحمض = 1.28 إلى 1.3 جم/سم3  وإذا قلت كثافة الحمض إلى أقل من 1.2 جم/سم3 فهذا يعني حاجة البطارية إلى إعادة الشحن
تفاعل الشحن
يتم ذلك بتوصيل قطبي البطارية بمصدر للتيار الكهربي المستمر له جهد أكبر قليلا من جهد البطارية مما يؤدي إلى حدوث تفاعل عكس التفاعل التلقائي الذي يحدث أثناء التفريغ ويؤدي إلى تحول كبريتات الرصاص إلى رصاص عند المصعد ( الأنود ) وثاني أكسيد الرصاص عند المهبط  ( الكاثود ) كما يعيد تركيز الحمض إلى ما كان عليه

PbO2(s)  +  4H+  + SO4--      +   Pb                      2 PbSO4(s)    + 2H2O
ملاحظات هامة
1- يعتبر تفاعل الشحن تفاعل غير تلقائي ويحتاج إلى فرق جهد خارجي
2- تعمل البطارية فى هذه الحالة كخلية إلكتروليتية تستخدم فيها الطاقة الكهربية  لإحداث التفاعل
التحليل الكهربي لمحلول كلوريد النحاس :-
1-عند المصعد ( الأنود ) الموجب :-  تتجه أيونات الكلور السالبة وتفقد شحنتها السالبة أي تتأكسد
2Cl-                          Cl2       +    2 e-                
2-عند المهبط ( الكاثود) :- تتجه أيونات النحاس وتكتسب إلكترونات  أي يحدث لها عملية إختزال

Cu2+               +       2e-                           Cu                      
3- ويكون التفاعل الكلي في الخلية هو مجموع تفاعلي الأنود و الكاثود

Cu2+            +           2Cl-                                Cu       +       Cl2              

  : ما كتلة الفضة المترسبة عند القطب الموجب نتيجة لإمرار تيار كهربي شدته 2.5 أمبير في محلول نيترات الفضة لمدة ساعة (الكتلة الذرية    للفضة = 108) .
الحل : كمية الكهرباء المستعملة = شدة التيار بالأمبير × الزمن بالثانية = 2.5 × 60 × 60  كولوم
الكتلة المكافئة للفضة = الكتلة الذرية÷ التكافؤ = 108  ÷ 1  = 108 جم
 96500  كولوم ترسب الوزن المكافيء الجرامي للفضة
                96500 كولوم      ترسب                 108 جم  
              (2.5 × 3600)      ترسب                  س جم فضة  
كتلة الفضة المترسبة = (2.5×3600×108) ÷ 96500 = 10.07 جم فضة
حل أخر :
كتلة الفضة المترسبة (بالجم) =
       [شدة التيار (بالأمبير) × الزمن (بالثانية)× الكتلة المكافئة للفضة)]÷ 96500
                 =   [2.5× (60×60) ×108] ÷96500  =  10.07 جم فضة
مسائل محلولة  أمرت كمية من الكهربية فى محلول كلوريد حديدIII لترسيب 0.112 جرام حديد . أحسب شدة التيار المار فى المحلول إذا علمت ان زمن مرور التيار 5 دقائق والكتلة الذرية للحديد 56.
الحل
الكتلة المكافئة للحديد = الكتلة الذرية للحديد ÷ تكافؤ الحديد = 56 ÷ 3  = 18.66 جرام
 ثابت × و = كم ( كمية الكهرباء )× كف ( كتلة مكافئة)
  96500 × 0.112 = كم × 18.66
  كم = ( 0.112 × 96500 ) ÷ 18.66 = 579.2  كولوم
 كمية الكهربية ( كم ) بالكولوم = شدة التيار بالامبير × الزمن بالثانية
              579.2                 = شدة التيار            × ( 5 × 60 )
 شدة التيار  =  579.2              ÷ ( 5 × 60 )   = 1.93 أمبير

 أوجد وزن ( كتلة ) كل من الذهب والكلور الناتجين من أمرار 10000 كولوم فى محلول مائى من كلوريد الذهب III علماً بأن التفاعلات التى تحدث عند الاقطاب هى
عند الكاثود Au+3 + 3 e- → Au                              عند الانود  2Cl- - 2 e- → Cl2    
(الكتلة الذرية  للذهب 196.98   والكتلة الذرية للكلور 35.45)
الحل
الكتلة المكافئة للذهب = 196.98 ÷ 3  = 65.66 جرام
الكتلة المكافئة للكلور = 35.45 ÷ 1 = 35.45 جرام
 ثابت × و ( وزن المادة ) = كمية الكهرباء × كتلة مكافئة
 96500 × وزن الذهب = 10000 × 65.66
وزن ( كتلة ) الذهب = ( 10000 × 65.66 ) ÷ 96500 = 6.8   جرام
وزن ( كتلة ) الكلور
96500 × وزن الكلور = 10000 × 35.45
وزن ( كتلة ) الكلور =  ( 10000 × 35.45 ) ÷ 96500 = 3.67  جرام

الحل
كمية الكهربية اللازمة لترسيب جرام / ذرة                     =     الفاراداى × التكافؤ
كمية الكهربية بالفاراداى اللازمة لترسيب جرام / ذرة الومنيوم  = 1  × 3  = 3 فاراداى
كمية الكهربية بالكولوم اللازمة لترسيب جرام / ذرة الومنيوم    = 96500 × 3 = 289500 كولوم

عند أمرار تيار كهربى ثابت الشدة لمدة ساعة فى محلول نيترات فضة وكبريتات نحاس II متصلة معاً على التوالى وجد أن 6.48 جرام فضة ترسبت على الكاثود . أستنتج من ذلك
أ – شدة التيار المار فى المحلولين ب- كتلة النحاس المترسبة ج- ماذا تستنتج من هذه النتائج
علماً بأن Ag = 108  ، Cu = 63.5
الحل
الكتلة المكافئة للفضة = 108 ÷ 1 = 108 جم
 ثابت × و = كمية الكهرباء × كتلة مكافئة
96500 × 6.48 = كم × 108
كم ( كمية الكهربية ) = ( 6.48 × 96500 ) ÷ 108 = 5790   كولوم
 كمية الكهربية ( كم ) بالكولوم = شدة التيار بالامبير × الزمن بالثانية
5790   = شدة التيار  × ( 1 × 60 × 60 )
شدة التيار = 5790  ÷ ( 1 × 60 × 60 ) =1.608 أمبير
الكتلة المكافئة الجرامية للنحاس = 63.5 ÷ 2  = 31.75 جرام
 ثابت × و = كمية الكهرباء × كتلة مكافئة
  96500 × و = 5790 × 31.75
و ( وزن النحاس ) = ( 5790 × 31.75 ) ÷ 96500  = 1.905 جرام
نفرض ان الكتلة  المكافئة الجرامية ( المكافئ الجرامى ) للنحاس هى   س
 كتلة النحاس ÷ كتلة الفضة = مكافئ النحاس ÷ مكافئ الفضة
 1.905 ÷ 6.48      = س                ÷ 108
 س ( مكافئ النحاس )       = ( 108 × 1.905 ) ÷ 6.48  = 31.75 جرام
 النتائج تحقق قانون فاراداى الثانى
أوجد عدد مولات النحاس الناتجة من مرور كمية من الكهربية قدرها 386000 كولوم
           علماً بأن Cu = 63.5
الحل
الكتلة المكافئة للنحاس =  63.5 ÷ 2  = 31.75 جرام
 ثابت × و = كمية الكهرباء × كتلة مكافئة
 96500 ×  و = 386000 × 31.75
و ( كتلة النحاس ) = ( 386000 × 31.75 ) ÷ 96500 = 127 جرام
عدد المولات = كتلة النحاس ÷ كتلة مول النحاس = 127 ÷ 63.5 = 2 مول

 أوجد كمية الكهربية بالفاراداى مرة وبالكلولوم مرة اخرى اللازمة
ا- لترسيب جرام / ذرة من الفضة علماً بأن التفاعل الحادث عند الكاثود
     Ag   →  Ag+ + e-  
ب- لتحرير جرام / ذرة من الكلور علماً بأن التفاعل الحادث عند الانود
        2Cl—2e-→ Cl2
ج – لتحرير مول من الكلور
د – لترسيب مول من النحاس علماً بأن التفاعل الحادث عند الكاثود  
            Cu+2 + 2e-→Cu

هـ - لتحرير مول من الأكسجين علماً بأن التفاعل الحادث عند الانود
           2O-2 – 4e-→ O2  
الحل
كمية الكهربية اللازمة لتحرير جرام / ذرة   = الفاراداى   ×  التكافؤ
أ- كمية الكهربية اللازمة لتحرير جرام / ذرة  فضة =    1        ×    1   = 1 فاراداى
=    96500 ×     1  = 96500  كولوم
ب- كمية الكهربية اللازمة لتحرير جرام / ذرة  كلور  =    1         ×      1  = 1 فاراداى
=   96500 ×      1  = 96500 كولوم
كمية الكهربية اللازمة لتحرير مول                   = عدد ذرات الجزئ × الفاراداى  × التكافؤ
ج - كمية الكهربية اللازمة لتحرير مول كلور   =  2  × 1     ×  1 = 2 فاراداى
= 2   × 96500  × 1   = 193000 كولوم
د - كمية الكهربية اللازمة لتحرير مول  نحاس     = 1× 1      × 2   = 2 فاراداى
= 1      × 96500   × 2  = 193000 كولوم
هـ - كمية الكهربية اللازمة لتحرير مول اكسجين   = 2        × 1  × 2  =   4    فاراداى
= 2   × 96500    × 2  = 386000 كولوم
بعض التطبيقات الهامة للتحليل الكهربي
 أولا : الطلاء بالكهرباء   الغرض منه : يستخدم طلاء المعادن بالكهرباء لعدة أغراض هى :  1- حفظ المعادن من التآكل .  
   2- إعطاء كثير من الأدوات المعدنية مظهرا لامعا .
3-  إعطاء المعادن قيمة أكبر بتغطيتها بطبقة من
معدن نفيس مثل الذهب أو الفضة .
 خطوات طلاء إبريق من الحديد بطبقة من الفضة  :-
1- يتم تنظيف سطح الإبريق ثم يغمس في محلول
إلكتروليتى يحتوي على أيونات الفضة
( نترات الفضة ) ويوصل بالقطب السالب لبطارية ويصبح مهبط (كاثود)
2- يوضع في المحلول عمود من الفضة ويوصل بالقطب الموجب ويصبح مصعد (أنود )
3- يتأكسد فلز الفضة عند المصعد وتحوله إلى أيونات فضة
Ag                        Ag+     +  e                                      
  تترسب أيونات الفضة على الإبريق بعد اختزالها :  
Ag+       +  e-                   Ag                                        
 
ثانيا :  الحصول على بعض الفلزات من مركباتها : تحضير الألومنيوم   من البوكسيت





1- تكون الخلية من المهبط ( الكاثود) وهو إناء من الحديد مبطن بطبقة من الكربون
( جرافيت)
2- المصعد (الأنود) من عبارة عن أسطوانات من الكربون( جرافيت)
3- عند مرور التيار الكهربي بين قطبي الخلية يحدث أكسدة واختزال
عند المهبط (الكاثود) 2Al3+           +    6e-                      2Al              

 عند المصعد( الأنود)        3O2-                              3/2 O2    +   6e-  
التفاعل الكلي            3/2 O2    +    2Al                    3O-2   +  2Al3+        
 
تجربة :  تنقية فلز النحاس فى خلية التحليل الكهربائى :
1-بغمس النحاس غير النقى: فى محلول كبريتات نحاس
ثم نوصله بالقطب الموجب للبطارية (أى نجعله أنودا)  
حيث تتأكسد ذرات النحاس متحولة لأيونات تهبط في
المحلول وتتجه ناحية المهبط ( الكاثود)

Cu                            Cu2+          +  2e-        
2 -بغمس سلك (أو رقائق من النحاس النقي ) : فى
محلول كبريتات نحاس ثم نوصله بالقطب السالب للبطارية (أى نجعله كاثودا  ) حيث تتجه إليه أيونات النحاس الذائبة في المحلول وتختزل باكتسابها إلكترونات وتتحول لذرات نحاس
  Cu                                                     Cu2+          +  2e
3-أما الشوائب الموجودة في مادة المصعد ( الأنود) فإن بعضها يذوب (يتأكسد) في المحلول مثل الحديد و الخارصين ولكنها لا تترسب على الكاثود لصعوبة اختزالها بالنسبة لأيونات النحاس أما شوائب الذهب والفضة لا تتأكسد(لا تذوب) في  المحلول بل تتساقط أسفل الأنود    

مقارنة بين الخلية الإلكتروليتية والخلية الجلفانية
الخلايا الإلكتروليتية الخلية الجلفانية
1- نظام يتم فيه تحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة كيميائية ضمن تفاعل أكسدة واختزال لا يحدث بشكل تلقائي مستمر
2- لابد من وجود مصدر خارجي للتيار الكهربي
3- الأنود قطب موجب وتحدث عنده أكسدة
4- الكاثود قطب سالب وتحدث عنده اختزال
5- لا تحتاج إلى قنطرة ملحية
6- لا يشترط أن يكون القطبان مختلفان
7- يسري التيار في الدائرة الخارجية من الأنود (القطب الموجب) إلى الكاثود(القطب السالب) 1- نظام يتم فيه تحويل الطاقة الحرارية الناتجة من التفاعلات الكيميائية إلى طاقة كهربية ضمن تفاعل أكسدة واختزال يحدث بشكل تلقائي مستمر
2- لا يوجد مصدر خارجي للتيار الكهربي
3- الأنود قطب سالب وتحدث عنده أكسدة
4- الكاثود قطب موجب وتحدث عنده اختزال
5- تحتاج إلى قنطرة ملحية
6- يشترط أن يكون القطبان مختلفان
7- يسري التيار في الدائرة الخارجية من الأنود (القطب السالب إلى الكاثود(القطب الموجب)

العلم والايمان


الرجوع الى أعلى الصفحة اذهب الى الأسفل

مُشاطرة هذه المقالة على: Excite BookmarksDiggRedditDel.icio.usGoogleLiveSlashdotNetscapeTechnoratiStumbleUponNewsvineFurlYahooSmarking

 
صلاحيات هذا المنتدى:
لاتستطيع الرد على المواضيع في هذا المنتدى