Transcript Télécharger
التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة Transformations spontanées dans les piles et récupération de l’énergie نشاط :1االنتقال التلقائي إللكترونات بين أنواع كيميائية مختلطة أي Qr,i<K :إذن نتوقع تطور المجموعة في المنحى المباشر. .1لدينا: وهو ما يتوافق مع منحى التطور المالحظ في التجربة. .2خالل هذا التحول ال يتم انتقال االلكترونات إال عند التقاء المؤكسد والمختزل. .Iاالنتقال التلقائي لاللكترونات .1االنتقال التلقائي المباشر عند مزج األنواع الكيميائية لمزدوجتين مختزل/مؤكسد ,يحدث انتقال تلقائي ومباشر لاللكترونات بين مؤكسد مزدوجة ومختزل األخرى .وذلك بالتوافق مع منحى التطور التلقائي المتوقع بناء على معيار التطور التلقائي. نشاط :2تفاعل أكسدة اختزال بين أنواع كيميائية منفصلة .1 .2على مستوى صفيحة الزنك تتأكسد ذرات Znفتحرر إلكترونين. على مستوى صفيحة النحاس تُختزل أيونات النحاس IIمكتسبتا إلكترونين. نالحظ أن انتقال االلكترونات من المختزل إلى المؤكسد في هذه التجربة غير مباشر. التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة .2 االنتقال التلقائي غير المباشر عندما تكون األنواع الكيميائية منفصلة يتم االنتقال التلقائي لاللكترونات بين األنواع الكيميائية لمزدوجتين مختزل/مؤكسد بطريقة غير مباشرة ,وذلك عبر دارة كهربائية خارجية. ملحوظة :ال يحدث التحول الكيميائي بين المزدوجتين إال بعد ربطهما بقنطرة ملحية, وهي تحافظ على فصل المحلولين مع السماح بهجرة األيونات لضمان الحياد الكهربائي للمحلولين ومرور التيار الكهربائي. نشاط :3قياس القوة الكهرمحركة لعمود .1القطب الموجب للعمود هو صفيحة النحاس والقطب السالب هو صفيحة النحاس. منحى التيار الكهربائي من القطب الموجب نحو السلب خارج المولد وهو ما يوافق قطبية المولد. .2التوتر المقاس بين الصفيحتين يمثل القوة الكهرمحركة للعمود. .Iتكوين واشتغال عمود .1تكوين عمود .aتعريف العمود العمود هو ثنائي قطب يحول الطاقة الكيميائية إلى الطاقة الكهربائية. .bمكونات عمود يتكون عمود من نصفي عمود مرتبطين كهربائيا بواسطة قنطرة ملحية .يحتوي كل نصف عمود على مؤكسد ومختزل مزدوجة. التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة نسمي نصف عمود مجموعة مكونة من سلك أو صفيحة من فلز )M(s . يدعى إلكترودا مغمورا في محلول الكتروليتي يحتوي على األيونات .2 اشتغال عمود خالل اشتغال عمود: حسب نصف المعادلة: الفلز M1يتأكسد إلى أيونات هذه األكسدة هي التي تمنح االلكترونات إلى الدارة الخارجية .ويسمى اإللكترود الذي تحدث على مستواه هذه األكسدة آنودا. تُختزل إلى الفلز M2حسب نصف المعادلة: الكاتيونات ترد االلكترونات الالزمة لهذا االختزال من الدارة الخارجية .ويسمى اإللكترود الذي يحدث على مستواه هذا االختزال كاتودا. أي أنه خالل اشتغال العمود يحدث تفاعل أكسدة-اختزال حسب المعادلة : تنتقل االلكترونات في الدارة الخارجية من اآلنود فيكون هو القطب السالب إلى الكاتود فيكون هو القطب الموجب. في القنطرة الملحية تنتقل األنيونات نحو نصف العمود اآلنودي والكاتيونات نحو نصف العود الكاتودي. وبالتالي نمثل هذا العمود بالتبيانة االصطالحية التالية : التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة .3مميزات عمود يتميز العمود مثل كل مولد بالمميزات التالية: ثنائي قطب مستقطب أي يتوفر على قطب موجب وقطب سالب. قوة كهرمحركة Eنقيسها بربط الفولطمتر بين مربطي العمود. مقاومة داخلية تتحدد انطالقا من خط المميزة. يحقق قانون أوم U=E-r.I :وفق اصطالح المولد. .IIIالتطور التلقائي لعمود أثناء االشتغال يكون العمود عبارة عن مجموعة كيميائية في حالة مخالفة لحالة التوازن. يُمكن معيار التطور التلقائي من تحديد منحى انتقال حمالت الشحن الكهربائية. عند الوصول إلى حالة التوازن Qr=Kال تتطور المجموعة وبالتالي ال يولد العمود تيارا كهربائيا ) (I=0فنقول أن العمود ُمستهلَك. تمرين تطبيقي :ننجز العمود الممثل جانبه. يشير الفولطمتر إلى توتر سالب. .1أعط التبيانة االصطالحية لهذا العمود. .2أكتب معادلتي التفاعلين الذين يحدثان على مستوى اإللكترودين. .3حدد منحى انتقال مخلف حمالت الشحن. .4عند اشتغال العمود كيف يتغير تركيز أيونات الفضة؟ وكيف تتغير كتلة الحديد؟ التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة .1التبيانة االصطالحية لهذا العمود هي: .2على مستوى إلكترود الحديد يحدث التحول التاليFe = Fe2+ + 2e- : على مستوى إلكترود الفضة يحدث التحول التاليAg+ + 1e- = Ag : .3 .4عند اشتغال العمود يتناقص تركيز أيونات الفضة وكذلك كتلة الحديد. .IVالدراسة الكمية لعمود .1كمية الكهرباء الممنوحة من قبل عمود كمية الكهرباء الممنوحة من قبل عمود أثناء اشتغاله تساوي القيمة المطلقة للشحنة الكلية لاللكترونات المتبادلةQ=n(e-).NA.e=n(e-).F . حيث :n(e-) :كمية مادة االلكترونات المتبادلة بالمول. :NA=6.02 1023mol-1ثابتة أفوكادرو. :e=1.6 10-19Cالشحنة االبتدائية. :F=NA.e=9.65 104C.mol-1الفارداي وهي القيمة المطلقة لشحنة مول واحد من االلكترونات. يعبر أيضا عن كمية الكهرباء الممنوحة من قبل عمود يزود الدارة بتيار كهربائي شدته Iثابتة خالل مدة ∆tبالعالقةQ=I.∆t : ملحوظة :عندما تصل المجموعة المكونة للعمود إلى حالة التوازن تكون كمية مادة االلكترونات المتبادلة قصوية. Qmax=I.∆tmax حيث :∆tmax :المدة القصوية الشتغال العمود أو عمر العمود. التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة .2كميات المادة المستهلكة أو المتكونة في عمود نعتبر العمود: aRed1 + bOx2 معادلة التفاعل الحاصل أثناء اشتغال العمود هيcOx1 + dRed2 : الجدول الوصفي لتطور هذه المجموعة: aRed1 + bOx2 cOx1 + dRed2 حالة المجموعة تقدم التفاعل )ni(Red1 )ni(Ox2 )ni(Ox1 )ni(Red2 x=0 الحالة البدئية ni(Red1)-a.x ni(Ox2)-b.x ni(Ox1)+c.x ni(Red2)+d.x x أثناء التفاعل ni(Red1)-a.xf ni(Ox2)-b.xf ni(Ox1)+c.xf ni(Red2)+d.xf xf الحالة النهائية باعتبار شدة التيار Iتبقى ثابتة خالل مدة االشتغال فإنQ=I.∆t=n(e-).F : انطالقا من نصفي المعادلة أكسدة-اختزال Red1 = Ox1 + n1e- :و Ox2 + n2e- = Red2 نالحظ أن تكون مول واحد من Ox1يصاحبه تبادل n1مول من االلكترونات ,أي عند تكون )(c.x مول من Ox1تكون كمية مادة االلكترونات المتبادلة هي.n(e-)=n1.c.x : ومنهQ=n1.c.x.F : وبالتالي: وبنفس الطريقة باعتبار استهالك Ox2نجد: وبالتالي عند استهالك العمود يكون لدينا: التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة تمرين تطبيقي :نعتبر العمود نحاس-فضة: تتطور المجموعة خالل مدة ∆t=1min 30s :في المنحى المباشر للمعادلة: )Cu(s) + 2Ag+ (aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s حيث يزود العمود الدارة بتيار كهربائي شدتهI=86.0mA : .1أحسب كمية الكهرباء التي يمنحها العمود خالل هذه المدة. .2أحسب تغير كمية مادة ) Cu2+(aqو ) Ag+(aqخالل نفس المدة السابقة. .3استنتج تغير كتلة الفضة التي ستظهر على إلكترود الفضة. .1كمية الكهرباء الممنوحة هي: .2لدينا الجدول الوصفي للتفاعل: Cu2+(aq) + )2Ag(s حالة المجموعة تقدم التفاعل )ni(Cu2+ )ni(Ag x=0 الحالة البدئية ni(Cu2+)+x ni(Ag)+2.x x أثناء التفاعل ni(Cu2+)+xf ni(Ag)+2.xf xf الحالة النهائية Q = I.∆t = 7.7C إذن تغير كمية مادة Cu2+هو: وتغير كمية مادة Ag+هو: .3كتلة الفضة التي ستظهر على إلكترود الفضة هي: .Vدراسة بعض األعمدة االعتيادية انظر المرفقات (نشاط .)4 )Cu(s )+ 2Ag+(aq )ni(Cu )ni(Ag+ ni(Cu)-x ni(Ag+)-2.x ni(Cu)-2.xf ni(Ag+)-2.xf