ملخص الخلية الكهروكيميائية (1) خلية دانيال — ثانية ثانوي

مقدمة

المادة: الكيمياء
المسار: مسار الهندسة وعلوم الحاسب
الوحدة: الفصل الثاني: التغيُّر والاتزان في المادة

اغرز مسمارًا مجلفنًا (مغطى بالزنك) وشريحة نحاس في ليمونة، ثم صلهما بمصباح LED صغير: قد يضيء المصباح ضوءًا خافتًا. لا توجد شبكة كهرباء ولا مولد، فمن أين جاء التيار؟ الجواب: من تفاعل أكسدة واختزال تلقائي بين الفلزين. على الفكرة نفسها تعمل بطارية هاتفك وسيارتك الكهربائية، وأبسط نموذج لها هو خلية دانيال.

أهداف التعلم

أن تعرّف الخلية الكهروكيميائية والأنود والكاثود.
أن تستخدم متسلسلة الجهود الكهربائية لتحديد أنود الخلية وكاثودها ومقارنة قوتها الدافعة الكهربائية.
أن تصف تركيب خلية دانيال وتكتب تفاعلي نصفي الخلية والرمز الاصطلاحي.
أن تفسّر دور الحاجز المسامي واتجاه حركة الإلكترونات والأيونات.
أن تتنبأ بالتغيرات في كتلة القطبين وتركيز المحلولين أثناء التفريغ.

شرح الدرس

الخلية الكهروكيميائية

الخلية الكهروكيميائية جهاز يحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية (أو العكس) من خلال تفاعل أكسدة واختزال. وتسمى الخلية التي تنتج الكهرباء من تفاعل تلقائي خلية جلفانية.

الأنود (المصعد): القطب الذي تنطلق منه الإلكترونات إلى السلك، وتحدث عنده الأكسدة، وهو القطب السالب $(-)$ في الخلية الجلفانية.
الكاثود (المهبط): القطب الذي يستقبل الإلكترونات، وتحدث عنده الاختزال، وهو القطب الموجب $(+)$ .

متسلسلة الجهود الكهربائية (النشاط)

ترتيب الفلزات حسب قابليتها للأكسدة (فقد الإلكترونات)، من الأنشط إلى الأقل نشاطًا:

\text{K}>\text{Na}>\text{Ca}>\text{Mg}>\text{Al}>\text{Zn}>\text{Fe}>\text{Ni}>\text{Sn}>\text{Pb}>(\text{H})>\text{Cu}>\text{Hg}>\text{Ag}>\text{Au}>\text{Pt}

في خلية من فلزين، الفلز الأنشط (الأعلى في المتسلسلة) هو الأنود، والأقل نشاطًا هو الكاثود.
القوة الدافعة الكهربائية (EMF): فرق الجهد بين الأنود والكاثود. كلما تباعد الفلزان في المتسلسلة زادت القوة الدافعة الكهربائية.

الرمز الاصطلاحي للخلية

يُكتب الأنود يسارًا والكاثود يمينًا، ويفصل الخط الرأسي $\mid$ بين القطب ومحلوله، ويشير الخطان $\parallel$ إلى الحاجز المسامي (أو القنطرة الملحية):

(-)\ \text{Zn}\mid\text{Zn}^{2+}(aq)\parallel\text{Cu}^{2+}(aq)\mid\text{Cu}\ (+)

خلية دانيال

تتكون من صفيحة خارصين (زنك) مغموسة في محلول كبريتات الخارصين $\text{ZnSO}_4$ ، وصفيحة نحاس مغموسة في محلول كبريتات النحاس (II) $\text{CuSO}_4$ ، ويفصل المحلولين حاجز (وعاء) مسامي، ويوصل القطبان بسلك خارجي.

خلية دانيال: قطب خارصين سالب في محلول كبريتات الخارصين وقطب نحاس موجب في محلول كبريتات النحاس بينهما حاجز مسامي، والإلكترونات تنتقل في السلك من الخارصين إلى النحاس عبر مقياس جهد، وأيونات الخارصين تعبر الحاجز نحو النحاس وأيونات الكبريتات في الاتجاه المعاكس

القطب	الإشارة	العملية	التفاعل
الخارصين (الأنود)	$-$	أكسدة: يفقد إلكترونات	$\text{Zn}(s)\rightarrow\text{Zn}^{2+}(aq)+2e^{-}$
النحاس (الكاثود)	$+$	اختزال: يكتسب إلكترونات	$\text{Cu}^{2+}(aq)+2e^{-}\rightarrow\text{Cu}(s)$

التفاعل الكلي: $\text{Zn}(s)+\text{Cu}^{2+}(aq)\rightarrow\text{Zn}^{2+}(aq)+\text{Cu}(s)$ ، والقوة الدافعة الكهربائية للخلية القياسية نحو $1.1\ \text{V}$ .

ماذا يحدث أثناء التفريغ؟

في السلك: تنتقل الإلكترونات من الخارصين إلى النحاس.
قطب الخارصين تقل كتلته (يذوب)، ويزداد تركيز $\text{Zn}^{2+}$ في محلوله.
قطب النحاس تزداد كتلته (يترسب عليه النحاس)، ويقل تركيز $\text{Cu}^{2+}$ فيبهت لونه الأزرق.
عبر الحاجز المسامي: تنتقل أيونات $\text{Zn}^{2+}$ نحو محلول النحاس، وأيونات $\text{SO}_4^{2-}$ في الاتجاه المعاكس نحو محلول الخارصين؛ فيبقى كل محلول متعادلًا كهربيًّا وتكتمل الدائرة. ويمنع الحاجز في الوقت نفسه اختلاط المحلولين؛ فلو لامست أيونات $\text{Cu}^{2+}$ الخارصين مباشرة لانتقلت الإلكترونات دون أن تمر في السلك.

إطالة زمن التفريغ: نبدأ بتركيز منخفض من $\text{ZnSO}_4$ (لأن أيونات $\text{Zn}^{2+}$ تتراكم فيه) وتركيز عالٍ من $\text{CuSO}_4$ (لأن أيونات $\text{Cu}^{2+}$ تُستهلك منه).

أمثلة وتطبيقات

مثال 1: خليتان: (أ) $\text{Zn}\mid\text{Cu}$ ، (ب) $\text{Mg}\mid\text{Cu}$ . أيهما قوتها الدافعة أكبر؟ وما الأنود في كل منهما؟

الأنود في الخليتين هو الفلز الأنشط: $\text{Zn}$ في (أ) و $\text{Mg}$ في (ب). والمغنيسيوم أبعد عن النحاس في المتسلسلة من الخارصين، إذن القوة الدافعة للخلية (ب) أكبر.

مثال 2: استُبدل الخارصين ومحلوله في خلية دانيال بالنيكل ومحلول كبريتات النيكل (II). ماذا يحدث لفرق الجهد؟

النيكل أقل نشاطًا من الخارصين، فهو أقرب إلى النحاس في المتسلسلة، إذن يقل فرق الجهد.

مثال 3: اقترح طالب زيادة تركيز $\text{ZnSO}_4$ وخفض تركيز $\text{CuSO}_4$ لإطالة عمر الخلية. قيّم اقتراحه.

الاقتراح خاطئ؛ فأيونات $\text{Cu}^{2+}$ تُستهلك عند الكاثود، فإن قلّ تركيزها نفدت سريعًا، وأيونات $\text{Zn}^{2+}$ تتراكم عند الأنود، فلا فائدة من البدء بتركيز عالٍ منها. الصواب هو العكس.

تطبيق: تعمل بطاريات الهواتف والحواسيب والسيارات الكهربائية على مبدأ خلية دانيال نفسه: تفاعل أكسدة واختزال تلقائي تُجبر إلكتروناته على المرور في دائرة خارجية. وتطوير هذه الخلايا يعني بطاريات أطول عمرًا وأسرع شحنًا، وتخزينًا أفضل للطاقة المتجددة.

ملاحظات مهمة

في الخلية الجلفانية: الأنود سالب والكاثود موجب. (سنرى في خلايا التحليل الكهربي أن الإشارتين تنعكسان.)
الإلكترونات تتحرك في السلك فقط، والأيونات تتحرك في المحلول وعبر الحاجز المسامي.
الأكسدة دائمًا عند الأنود والاختزال دائمًا عند الكاثود في كل أنواع الخلايا.
لا تتحرك الإلكترونات داخل المحلول.

المفاهيم الأساسية

الخلية الكهروكيميائية: تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهربائية بتفاعل أكسدة واختزال.
الأنود: أكسدة، سالب؛ الكاثود: اختزال، موجب (في الخلية الجلفانية).
القوة الدافعة الكهربائية تزداد بتباعد الفلزين في متسلسلة النشاط.
خلية دانيال: $(-)\ \text{Zn}\mid\text{Zn}^{2+}\parallel\text{Cu}^{2+}\mid\text{Cu}\ (+)$ .

ملخص الدرس

الخلية الكهروكيميائية الجلفانية تستخدم تفاعل أكسدة واختزال تلقائيًّا لإنتاج تيار كهربي: يتأكسد الفلز الأنشط عند الأنود السالب، وتُختزل الأيونات عند الكاثود الموجب، وتتحرك الإلكترونات في السلك والأيونات عبر الحاجز المسامي. وفي خلية دانيال يذوب الخارصين ويترسب النحاس، وتكون القوة الدافعة الكهربائية أكبر كلما تباعد الفلزان في متسلسلة النشاط.

أسئلة للتدريب

أي قطبي خلية دانيال تزداد كتلته أثناء التشغيل؟ ولماذا؟
اكتب الرمز الاصطلاحي لخلية أنودها مغنيسيوم وكاثودها فضة.
ما وظيفتا الحاجز المسامي في خلية دانيال؟
رتب الخلايا $\text{Fe}\mid\text{Cu}$ و $\text{Al}\mid\text{Cu}$ و $\text{Pb}\mid\text{Cu}$ تصاعديًّا حسب القوة الدافعة الكهربائية المتوقعة.
لماذا يبهت اللون الأزرق لمحلول كبريتات النحاس مع تشغيل الخلية؟