Transcript مدخل الى الكيمياء الكهربائية 1 تصوروا ..... كيف تكون الحياة دون بطاريات ؟ 2 بال شك سيكون هناك الكثير من المعاناة !........ 3 -1  المقدمة :  الكيمياء الكهربائية.

‫مدخل الى الكيمياء الكهربائية‬
‫‪1‬‬
‫تصوروا‪ .....‬كيف تكون الحياة‬
‫دون بطاريات ؟‬
‫‪2‬‬
‫بال شك سيكون هناك الكثير من المعاناة‪!........‬‬
‫‪3‬‬
‫‪ -1 ‬المقدمة ‪:‬‬
‫‪ ‬الكيمياء الكهربائية ‪ :‬فرع الكيمياء الذي يتعامل مع تطبيقات تفاعالت‬
‫االكسدة واالختزال حيث تظهر طاقة كهربائية بدال من الحرارة ‪.‬‬
‫‪ ‬تفاعالت األكسدة واالختزال ‪ :‬هي التفاعالت التي يحدث فيهـــا انتقال‬
‫لإللكترونـات من ذرة إلى أخرى بحيث يحدث تغيير في عدد أكسدة‬
‫العناصر‪.‬‬
‫‪ ‬الخاليا الكهروكيميائية ‪ :‬هي عبارة عن جهاز يتم فيه تحويل الطاقة‬
‫الكيميائية إلى طاقة كهربائية أو العكس ‪ .‬الخاليا الكهروكيميائية تنقسم إلى‬
‫نوعين وهما ‪:‬‬
‫‪ ‬أ ) الخاليا الكلفانية ‪ :‬حيث تتحول فيها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية‬
‫ويكون فيها تفاعل األكسدة واالختزال تلقائي ‪ .‬مثل ‪ :‬العمود الجاف ‪،‬‬
‫بطارية الزئبق ‪ ،‬خلية الوقود ‪.‬‬
‫‪ ‬ب ) الخاليا االلكتروليتية ( التحليلية ) ‪ :‬حيث تتحول فيها الطاقة الكهربائية‬
‫إلى طاقة كيميائية ويكون فيها تفاعل األكسدة واالختزال غير تلقائي ‪ .‬مثل‬
‫خلية الطالء الكهربائي ‪.‬‬
‫‪4‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫ فكرة الخاليا الكلفانية ‪:‬‬‫عند غمس صفيحة خارصين في كأس به محلول كبريتات النحاس الزرقاء‬
‫ووضع فولتميتر في المحلول يالحظ اآلتي ‪:‬‬
‫تدريجيا يختفي اللون األزرق لمحلول كبريتات النحاس ‪.‬‬
‫تتجع مادة حمراء داكنة على لوح الخارصين وفي قعر الكأس ‪.‬‬
‫ترتفع درجة حرارة المحلول بالكأس ‪.‬‬
‫التفسير ‪:‬‬
‫كاتيونات النحاس الموجودة بالمحلول اختزلت بواسطة ذرات الخارصين‬
‫على النحو التالي ‪:‬‬
‫إذن النحاس عامل مؤكسد وذلك الن كاتيونات النحاس اكتسبت الكترونات‬
‫من الخارصين فتحولت تلك الكاتيونات إلى ذرات نحاس تترسب بقعر الكأس‬
‫ولذلك يختفي اللون األزرق تدريجيا ً ‪ .‬كما أن ذرات الخارصين تأكسدت‬
‫بواسطة أيونات النحاس الثنائية فتحولت إلى أيونات الخارصين الثنائية كما‬
‫يوضح التفاعل التالي ‪:‬‬
‫‪5‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫وبذلك يكون الخارصين عامل مختزل أي أن االلكترونات التي‬
‫فقدتها أيونات الخارصين هي نفس االلكترونات التي اكتسبتها‬
‫أيونات النحاس ‪ .‬وبسبب انتقال االلكترونات من الخارصين الى‬
‫النحاس تنتج طاقة حرارية تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المحلول ‪.‬‬
‫أما المادة الحمراء المترسبة في قعر الكأس فهي عبارة عن ذرات‬
‫النحاس التي تكونت نتيجة اختزال كاتيونات النحاس الثنائية ‪.‬‬
‫فكر العلماء في طريقة لتحويل الطاقة الحرارية الناتجة الى طاقة‬
‫كهربائية ‪ ،‬وتوصلوا في النهاية إلى الحل األمثل وهو عن طريق‬
‫فصل العامل المؤكسد عن العامل المختزل بحيث تحدث عمليتي‬
‫األكسدة واالختزال في مكانين مختلفين ومنفصلين تماما ً ثم يسمح‬
‫لإللكترونات باالنتقال عبر وسيلة خارجية (موصل أو سلك معدني)‬
‫من مكان حدوث عملية األكسدة إلى مكان حدوث عملية اإلختزال‬
‫وبذلك نحصل على تيار كهربائي مستمر ‪.‬‬
‫‪6‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ -3‬مكونات الخلية الكلفانية ‪.‬‬
‫لتحويل الطاقة الحرارية الناتجة من التفاعل السابق بين الخارصين وكبريتات النحاس‬
‫إلى طاقة كهربائية يمكن تكوين خلية كلفانية مكونة من اآلتي ‪:‬‬
‫إناء بداخله صفيحة من الخارصين مغمورة جزئيا ً في محلول كبريتات الخارصين (يمثل‬
‫أحد نصفي الخلية) تسمى قطب الخارصين‪.‬‬
‫إناء بداخله صفيحة من النحاس مغمورة جزئيا ً في محلول كبريتات النحاس (يمثل نصف‬
‫الخلية اآلخر) تسمى قطب النحاس ‪.‬‬
‫يتم توصيل الصفيحتين (الخارصين والنحاس) بواسطة أسالك معدنية إلى فولتميتر عالي‬
‫المقاومة‪.‬‬
‫يوصل المحلولين بواسطة جسر ملحي وهو عبارة عن أنبوبة زجاجية على شكل حرف ‪Ụ‬‬
‫ولكن بشكل مقلوب ويحتوي على محلول الكتروليتي مركز من أي ملح مثل ( كلوريد‬
‫الكالسيوم ‪ ،‬كبريتات الكالسيوم ‪ ،‬نترات الصوديوم ‪......‬الخ ) ومادة نفوذة (أي قابلة للنفاذ)‬
‫من الهالم أو اآلجار ‪ .‬يسمح الجسر الملحي بانتقال األيونات بين نصفي الخلية لكنها ال‬
‫تسمح بالتماس المباشر بين العامل المؤكسد والعامل المختزل وهذه تعتبر أهم وظيفة بالنسبة‬
‫للجسر الملحي ‪.‬‬
‫للتمييز بين قطبي الخلية ‪ ،‬فإن القطب الذي تحدث عنده عملية أكسدة يسمى ( المصعد أو‬
‫األنود ) والقطب الذي تحدث عنده عملية اختزال يسمى ( مهبط أو كاثود)‪.‬‬
‫‪7‬‬
‫‪ -4‬نشوء التيار الكهربائي في الخاليا الكلفانية ‪:‬‬
‫يمكن توضيح ما يحدث داخل الخلية الكلفانية كما هو موضح‬
‫بالرسم ‪:‬‬
‫‪8‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫حركة مؤشر الفولتميتر تدل على أن االلكترونات سرت من قطب الخارصين‬
‫إلى قطب النحاس ‪ ،‬كما أن قطب الخارصين تآكل تدريجيا ً وتراكمت مادة‬
‫حمراء على قطب النحاس واللون األزرق لكبريتات النحاس يخفت تدريجيا ً ‪.‬‬
‫تمثل الخلية الكلفانية بالرمز االصطالحي التالي ‪:‬‬
‫‪Zn / Zn2+ // Cu2+/ Cu‬‬
‫حيث يكتب نصف تفاعل األكسدة أوالً ( إلى اليسار ) ثم تمثل الجسر‬
‫الملحي بالخطين ( ‪ ) //‬ثم يكتب نصف تفاعل االختزال ( إلى اليمين ) دون أن‬
‫تكتب االلكترونات المفقودة أو المكتسبة ‪.‬‬
‫مالحظة ‪ :‬إذا كان عدد االلكترونات غير متساوي في نصفي التفاعل يجب‬
‫مساواتهما عن طريق الضرب التبادلي ( كما في وزن المعادالت ) ‪.‬‬
‫تمرين ‪ :‬وضح ما يحدث في خلية كلفانية مكونة من قطب األلومنيوم مغمور‬
‫في محلول نترات األلومنيوم وقطب نحاس مغمور في محلول نترات نحاس ‪.‬‬
‫‪9‬‬
10
‫‪ -5‬فكرة الخاليا االلكتروليتية ( التحليلية ) ‪:‬‬
‫يمكن معرفة عمل هذا النوع من الخاليا من خالل مقارنتها مع‬
‫الخاليا الكلفانية ‪:‬‬
‫الخلية التحليلية‬
‫الخلية الجلفانية‬
‫تحول الطاقة الكيميائية الى كهربائية‬
‫تحول الطاقة الكهربائية الى كيميائية‬
‫تفاعل االكسدة واالختزال تلقائي‬
‫تفاعل االكسدة واالختزال غير‬
‫تلقائي‬
‫ال يوجد جسر ملحي‬
‫ال يوجد مصدر كهربائي‬
‫يوجد مصدر كهربائي‬
‫يوجد جسر ملحي‬
‫‪11‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ -6‬الطالء الكهربائي ‪:‬‬
‫وهو عملية الكتروليتية يختزل فيها ايون فلزي ويترسب خاللها فلز صلب على‬
‫سطح معين ‪ .‬وتتكون الخلية من ‪:‬‬
‫قطعة من فلز الطالء توصل بالقطب الموجب المصعد (الفضة مثال) ‪.‬‬
‫محلول ملح لفلز الطالء ‪.‬‬
‫الجسم المراد طالئه يوصل بالقطب السالب المهبط (ملعقة نحاسية مثال) ‪.‬‬
‫مصدر للتيار الكهربائي ‪.‬‬
‫فعند طالء الملعقة النحاسية بطبقة من الفضة تحدث التفاعالت التالية ‪:‬‬
‫)‪Ag(s‬‬
‫عند القطب الموجب المصعد ‪Ag+ + e- :‬‬
‫‪Ag+ + e‬‬‫)‪Ag(s‬‬
‫عند القطب السالب المهبط ‪:‬‬
‫بحيث تترسب الفضة على الملعقة النحاسية ‪.‬‬
‫‪12‬‬
13
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪14‬‬
‫االسئلة ‪:‬‬
‫عرف الكيمياء الكهربائية ‪.‬‬
‫عرف تفاعالت األكسدة واالختزال‪.‬‬
‫عرف الخاليا الكهروكيميائية‪.‬‬
‫عدد انواع الخاليا الكهروكيميائية‪.‬‬
‫فسر فكرة عمل الخلية الكلفانية ‪.‬‬
‫استنتج كيفية تحويل الطاقة الحرارية الى طاقة كهربائية في الخلية الكلفانية ‪.‬‬
‫لخص مكونات الخلية الكلفانية ‪.‬‬
‫عرف الجسر الملحي ‪.‬‬
‫ارسم الخلية الكلفانية مؤشراً على االجزاء ‪.‬‬
‫حلل كيفية نشوء التيار الكهربائي في الخاليا الكلفانية ‪.‬‬
‫قارن بين الخاليا الكلفانية والخاليا االلكتروليتية ‪.‬‬
‫عرف خلية الطالء الكهربائي ‪.‬‬
‫لخص مكونات خلية الطالء الكهربائي‪.‬‬
‫صمم خلية الطالء الكهربائي ‪.‬‬
References 
1- Herance, J.R., Concepci.n, P., Dom駭ech, A., Bourdelande, J.L., Marquet, J., and 
Garc, H. 2005. Anionic organic guests incorporated within zeolites. Adsorption and
reactivity of the Meisenheimer complex in faujasites. Chemistry A European Journal 11,
6491–6502.
2- Go, J.-Y., and Pyun, S.-I. 2007. A review of anomalous diffusion phenomena at 
fractal interface for diffusion-controlled and non-diffusion-controlled transfer
processes. Journal of Solid State Electrochemistry 11, 323–334.
3- Giustetto, R., Llabr駸 i Xamena, F.X., Ricchiardi, G., Bordiga, S., Damin, A., 
Gobetto, R., and Chierotti, M.R. 2005. Maya blue: A computational and spectroscopic
study. Journal of Physical Chemistry B 109, 19360–19368.
4- Dom駭ech, A., Dom駭ech, M.T., and V.zquez, M.L. 2007b. Chemometric study of
Maya blue from the voltammetry of microparticles approach. Analytical Chemistry
79,2812–2821.
5- Cheng, L., Li, H.-q., and Xia, Y.-y. 2006. A hybrid nonaqueous electrochemical 
supercapacitor using nano-sized iron oxyhydroxide and activated carbon. Journal of Solid
StateElectrochemistry 10, 405–410.
6- Alhalasah, W., and Rolze, H. 2007. Electrochemical bandgaps of a series of poly-3-p
phenylthiophenes. Journal of Solid State Electrochemistry 11, 1605–1612.
15


16