الخلايا الكهركيمبائية أو الغلفانية أو الكمون أو الجهد Electrochemical (Galvanic) cells

الخلايا الكهركيمبائية أو الغلفانية أو الكمون أو الجهد

إن الجمل الكهركيميائية هي تلك الجمل التي يحدث فيها تبادل الكتروني ،

أي التي يتم فيها تحولات بين شكلي الطاقة الكيميائي والكهربائي.

تتألف الجمل الكهركيميائية من الأجزاء التالية:

(1) محلولان كهرليتيان قادران على إعطاء شوارد وتمرير تيار كهربائي (بفضل حركة شواردهما).

(2) مسريان مغموسان في كلا المحلولين الكهرليتين ، يؤمنان تبادل الشحنات بين المواد المشاركة في التفاعل الكهركيميائي ونقل الإلكترونات إلى الدارة الخارجية.

(3) دارة خارجية وهي عبارة عن ناقل معدني يصل المسريين ببعضهما البعض ويؤمن مرور التيار الكهربائي بينهما.

وعلى الحدود الفاصلة بين المسريين والمحلول الكهرليتي يتمركز نقل الشوارد وجريان التفاعلات الكهركيميائية أو بمعنى آخر تحول الطاقة من شكلها الكيميائي إلى شكلها الكهربائي، إن مثل تلك الجمل الكهركيميائية تُدعى بالخلايا الغلفانية.

الخلايا الغلفانية نسبة للعالم Galvani   ، وتُسمى أيضاً خلايا الكمون أو الجهد نسبة للعالم Volta

luigi-galvani-1.jpgvolta.jpg

تقوم الخلية الغلفانية على نصفي تفاعل ، أحدهما أكسدة والآخر إرجاع ، يُقدم الأول الالكترونات إلى الثاني بشكل يؤدي إلى حدوث تفاعل تلقائي.                                                                                          

يُبين الشكل التالي أنموذجاً لخلية غلفانية تُدعى خلية دانييل،

daniel-cell.jpg

john-daniel.jpg

وتتألف من اتصال نصفي خلية كل من التوتياء والنحاس.

يتألف نصف الخلية الأولى من صفيحة توتياء مغموسة في محلول لشاردة التوتياء تركيزه (1mol/L) (مثل نترات التوتياء) ،

بينما يتألف نصف الخلية الثاني من صفيحة نحاس مغموسة في محلول لشاردة النحاس تركيزه (1mol/L) أيضاُ (مثل نترات النحاس)،

وتتصل الصفيحتان بسلك ناقل ، بينما يتصل المحلولان

إما بواسطة جسر ناقل كهرليتي يحتوي على ملح نترات الصوديوم (الذي يتشرد كلياً وشوارده لا تتفاعل مع شوارد نصفي الخلية)

يمنع انتشار السوائل بين نصفي الخلية ولكنه يسمح بتدفق الشوارد،

أو بغشاء نصف نفوذ يسمح باتصال  المحلوللين دون أن يمتزجا.

عندما يوصل مسرى النحاس بمسرى التوتياء يحدث التفاعلان النصفيان التلقائيان التاليان:

        Cu2+   +   2e-    ↔   Cu             Eo (Cu2+/Cu) = +0,34 V                   (كمون إرجاع) 

Zn    ↔   Zn2+     +   2e-       Eo (Zn/Zn2+) = - Eo (Zn2+/Zn)=+0,76 V         (كمون أكسدة)

e02.jpg

حيث تُصبح صفيحة التوتياء مصدر للالكترونات التي تسري عبر السلك المعدني إلى صفيحة النحاس

أي تُصبح صفيحة التوتياء هي القطب السالب ( المصعد ) والصفيحة النحاسية هي القطب الموجب ( المهبط)

وبالتالي يسري التيار الكهربائي خارج المحلول من الصفيحة النحاسية إلى صفيحة التوتياء. 

والتفاعل الكلي الحاصل حتى تعمل الخلية عبارة عن محصلة التفاعلين النصفيين:

 (+Eo (cell)= Eo (Cu2+/Cu) + Eo (Zn/Zn2                طاقة كهربائية+ (Zn(s)+Cu2+ Zn2++Cu(s

       Eo(cell) = +0,34+0,76=+1,10 V

أي أن الكمون المسروي الحاصل أثناء عمل الخلية هو 1,10V+ ، ويُدعى هذا أيضاً بالقوة المحركة الكهربائية  (Electro Motive Force (e.m.f.

  •     Anode  المصعد الذي تصعد منه الالكترونات
  •   Cathode المهبط الذي تهبط إليه الالكترونات

 

 daniel-cell0-1.jpg

 

يُلاحظ في نهاية عمل الخلية تآكل صفيحة التوتياء وازدياد تركيز شوارد التوتياء في محلولها،

كما يُلاحظ ترسب النحاس على الصفيحة النحاسية وتناقص تركيز شوارد النحاسفي محلولها.

ولكي تحافظ المحاليل على طبيعتها المعتدلة كهربائياً ، تنتقل الشوارد الموجبة والسالبة بين  نصفي الخلية عبر الجسر الملحي،

فالشوارد  +Zn2 الفائضة في منطقة المصعد تدخل الجسر الملحي وتعوض شوارد +Na  التي تترك الجسر وتدخل منطقة المهبط من الطرف الآخر للجسر،

وكذلك تترك الشوارد -NO3 الفائضة في منطقة المهبط وتدخل الجسر كي تعوض الشوارد -NO3 التي تدخل منطقة المصعد من الطرف الآخر للجسر.

daniel-cell1.jpg

 

يُمكن تعريف خلية دانييل الغلفانية بالإعتماد على الرمز التالي:

daniel-cell2-2.jpg

حيث يوضع خط عمودي بين الصيغة الكيميائية لمادة المسرى والصيغة الكيميائية للكهرليت الذي غُمر فيه هذا المسرى،

كما يوضع خطان عموديان للدلالة على السطح الفاصل بين المحلولين الكهرليتيين اللذين غمر فيهما المسريان.

 

أما في حالة الجمل اللامعدنية أي الحالة التي لا يُمكن أن يوجد فيها المسرى بحالة صفيحة أو قضيب،

فيُمكن تعريف تلك الخلايا بالإعتماد على الرمز التالي حيث يُستعمل مسرى من البلاتين ليقوم بوظيفة المساري المعدنية:

daniel-cell3-2.jpg

 
 
--77.jpg
 
 
 
 
 

تمرين ـ   ما هو التفاعل الموافق لعمل الخلية الكهركيميائية المؤلفة من نصفي التفاعل التاليين:

Cr 3++3e-Cr(s)     Eo (Cr3+/Cr) =-0,76V

MnO2(s) +4H++2e- Mn2++2H2O    Eo (Mn2+, H+/MnO2, Pt) =+1,28V

ثم ما هي قيمة Eo للخلية في هذه الحالة.

 

يُلاحظ أن التفاعلين النصفيين المعطيين هما تفاعلي إرجاع، وللحصول على التفاعل المحصل للخلية (تفاعل أكسدة + تفاعل إرجاع) تُقلب جهة الفاعل الذي له قيمة سالبة أعلى وهنا التفاعل الأول، ويتم الحصول على كمون الأكسدة بقلب إشارة كمون الإرجاع الموافق:

cell1.jpg










(Cr(s) Cr3++3e-  ; Eo (Cr/Cr3+) =+0,74V    (1

(MnO2(s) +4H++2e-Mn2++2H2O ,  Eo (Mn2+, H+/MnO2, Pt) =+1,28V   (2

تُضرب المعادلة (1) بالعدد (2) والمعادلة (2) بالعدد (3) وبجمع المعادلتين الجديدتين والاختصار  يكون:

 3MnO2(s) +12H++2Cr(s)3Mn2++6H2O+2Cr3+    Eo=0,74+1,28=2,02V


 

تمرين ـ   لتكن الخلية الغلفانية التالية التي تعمل في الدرجة 25oC :

 Cu|Cu2+ (1mol/L) ||Ag+ (1mol/L) |Ag

 

أوجد التفاعل الحاصل حتى تعمل الخلية؟ وما هو الكمون العياري لهذه الخلية؟


cell2.jpg








Cu2++2e-Cu(s)   Eo (Cu2+/Cu) =+0,34 V   كمون إرجاع

Ag++ e- ↔ Ag(s)  Eo (Ag+/Ag) = +0,80 V      كمون إرجاع

ولكي تعمل الخلية يجب أن تحصل عملية أكسدة وإرجاع شريطة  Eo(cell)>0،

وهذا يحصل عندما نقلب جهة التفاعل الأول والمتعلق بالنحاس بحيث يُصبح هو تفاعل الأكسدة في الخلية، أي:

Cu(s) ↔Cu2++2e-        Eo (Cu/Cu2+)=-0,34 V      كمون أكسدة

والتفاعل الذي يجري ضمن الخلية هو حاصل جمع معادلة إرجاع شاردة الفضة بعد ضربها بالعامل 2 (لاختزال الالكترونات ) مع معادلة أكسدة النحاس:

2Ag+ + Cu(s)    ↔  2Ag(s) + Cu2+       Eo (cell) = +0,80 – 0,34 = +0,46 V



 

تمرين ـ تتألف الملغمة التي يستعملها طبيب الأسنان بشكل عام من الزئبق

حيث الكمون القياسي لزوج الأكسدة والإرجاع Eo(Hg22+/Hg)=+0,85V  .

هذا الزوج يُمكن أن يكون مصدراً لنوعين من الأذى أو الألم.

أ ـ إذا وضعت صفيحة أو وريقة ألمنيوم بين السن المحشى من قبل الطبيب بهذه الملغمة وبين سن آخر.  

ب ـ إذا وُضع على السن المجاور للسن المحشى بالملغمة تاج أو طوق من الذهب.   

حدد في كلا الحالتين تفاعلات الأكسدة والإرجاع التي يُمكن أن تحصل وكذلك القوة المحركة الكهربائية للخلية الناتجة ومساريها.

يُعطى Eo(Al3+/Al)=-1,7V  

       Eo(Au+/Au)=+1,68V


أ ـ

   Al3+ + 3e- Al          Eo1=-1,7V                                

Hg22+ +2e- 2Hg        Eo2=+0,85V                          

                     +3Hg22+ +2Al ↔ 6Hg+2Al3   

  Eo=Eo2-Eo1=(+0,85V)-(-1,7V)=+2,55V 

cell40.jpg 








ب ـ     

   Au+ + e- Au      Eo1=+1,68V                 

   Hg22+ +2e- 2Hg    Eo2=+0,85V                       

                 2Au+ +2Hg ↔ Hg22++Au  

  Eo=Eo1-Eo2=(+1,86V)-(+0,85V)=+0,83V  

cell41.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

إضافة تعليق
 

التعديل الأخير تم: 12/07/2021

- Signaler un contenu illicite sur ce site