أسئلة: الخلية الكهروكيميائية (1) خلية دانيال

الإجابة الصحيحة: تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهربائية والعكس

الخلية الكهروكيميائية هي جهاز مصمم لتحويل الطاقة بين الشكل الكيميائي والكهربائي من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال.

الإجابة الصحيحة: هو القطب السالب وتحدث عنده عملية الأكسدة

الأنود هو القطب السالب الذي تنطلق منه الإلكترونات، وتحدث عنده عملية الأكسدة.

الإجابة الصحيحة: الاختزال واستقبال الإلكترونات

الكاثود هو القطب الموجب الذي يستقبل الإلكترونات، وتحدث عنده عملية الاختزال.

الإجابة الصحيحة: $K$ و $Cu$

كلما زادت المسافة بين الفلزين في متسلسلة النشاط، زادت القوة الدافعة الكهربائية للخلية. $K$ و $Cu$ هما الأبعد عن بعضهما في الخيارات المتاحة.

الإجابة الصحيحة: قطب زنك في $ZnSO_4$ وقطب نحاس في $CuSO_4$

تتكون خلية دانيال من قطب زنك مغمور في محلول كبريتات الزنك المائي وقطب نحاس مغمور في محلول كبريتات النحاس (II) المائي.

الإجابة الصحيحة: $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-$

في خلية دانيال، الزنك هو الأنود وتحدث عنده عملية الأكسدة حيث يفقد ذرات الزنك إلكترونات لتكوين أيونات $Zn^{2+}$.

الإجابة الصحيحة: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$

في خلية دانيال، النحاس هو الكاثود وتحدث عنده عملية الاختزال حيث تكتسب أيونات $Cu^{2+}$ إلكترونات لتكوين ذرات نحاس صلبة.

الإجابة الصحيحة: الحفاظ على التعادل الكهربي في نصفي الخلية

الوعاء المسامي يسمح بانتقال الأيونات بين نصفي الخلية للحفاظ على التعادل الكهربي، مما يضمن استمرارية تدفق التيار.

الإجابة الصحيحة: من جانب $CuSO_4$ إلى جانب $ZnSO_4$

للحفاظ على التعادل الكهربي، تتحرك أيونات $SO_4^{2-}$ من جانب الكاثود ($CuSO_4$) حيث تقل أيونات $Cu^{2+}$، إلى جانب الأنود ($ZnSO_4$) حيث تتكون أيونات $Zn^{2+}$.

الإجابة الصحيحة: تركيز منخفض

البدء بتركيز منخفض لمحلول $ZnSO_4$ يؤخر وصول جانب الزنك إلى التشبع بأيونات $Zn^{2+}$، مما يطيل زمن التفريغ.

الإجابة الصحيحة: تركيز عالٍ

البدء بتركيز عالٍ لمحلول $CuSO_4$ يوفر كمية أكبر من أيونات $Cu^{2+}$ للاختزال، مما يؤخر نفادها ويطيل زمن التفريغ.

الإجابة الصحيحة: $(-)\ Zn \mid Zn^{2+}(aq) \parallel Cu^{2+}(aq) \mid Cu\ (+)$

الرمز الاصطلاحي يبدأ بالأنود (القطب السالب) ثم أيوناته، ثم الجسر الملحي ($\parallel$)، ثم أيونات الكاثود، ثم الكاثود (القطب الموجب).

الإجابة الصحيحة: $\text{Mg}\mid\text{Ag}$

المغنيسيوم والفضة أكثر الأزواج تباعدًا في المتسلسلة، وكلما زاد التباعد زادت القوة الدافعة الكهربائية.

الإجابة الصحيحة: يقل لأن الأيونات تُختزل إلى نحاس يترسب على القطب

عند الكاثود: $\text{Cu}^{2+}+2e^{-}\rightarrow\text{Cu}$، فتُستهلك أيونات النحاس ويبهت لون المحلول الأزرق.

الإجابة الصحيحة: يقل

النيكل أقل نشاطًا من الخارصين فهو أقرب إلى النحاس في المتسلسلة، فيقل فرق الجهد لكنه لا ينعدم.

الخلية الكهروكيميائية هي جهاز يحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية (والعكس) من خلال تفاعل أكسدة واختزال تلقائي. الأنود (المصعد، −) هو القطب الذي تنطلق منه الإلكترونات وتحدث عنده عملية الأكسدة. الكاثود (المهبط، +) هو القطب الذي يستقبل الإلكترونات وتحدث عنده عملية الاختزال.

تتكون خلية دانيال من قطب زنك مغمور في محلول كبريتات الزنك المائي ($ZnSO_4$)، وقطب نحاس مغمور في محلول كبريتات النحاس (II) المائي ($CuSO_4$). يفصل بين نصفي الخلية وعاء مسامي، ويوصل القطبان بسلك توصيل خارجي. تفاعلاتها هي: * الأنود (−): $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-$ (أكسدة) * الكاثود (+): $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$ (اختزال)

الوعاء المسامي مهم لإتمام الدائرة الأيونية دون اختلاط المحلولين مباشرة، مما يسمح بحركة الأيونات للحفاظ على التعادل الكهربي. تتحرك أيونات $Zn^{2+}$ من جانب $ZnSO_4$ إلى جانب $CuSO_4$، وتتحرك أيونات $SO_4^{2-}$ من جانب $CuSO_4$ إلى جانب $ZnSO_4$. هذه الحركة تمنع تراكم الشحنات الكهربائية في نصفي الخلية وتضمن استمرار تدفق الإلكترونات في الدائرة الخارجية.

يمكن إطالة زمن تفريغ الخلية عن طريق: 1. البدء بتركيز منخفض لمحلول $ZnSO_4$: هذا يؤخر وصول محلول الزنك إلى حالة التشبع بأيونات $Zn^{2+}$، مما يسمح باستمرار الأكسدة لفترة أطول. 2. البدء بتركيز عالٍ لمحلول $CuSO_4$: هذا يوفر كمية أكبر من أيونات $Cu^{2+}$ للاختزال، مما يؤخر نفادها ويسمح باستمرار الاختزال لفترة أطول.

في خلية دانيال الأصلية، الفلزان هما الزنك ($Zn$) والنحاس ($Cu$). عند استبدال الزنك بالنيكل ($Ni$)، يصبح الفلزان هما النيكل ($Ni$) والنحاس ($Cu$). بالنظر إلى متسلسلة الجهود الكهربائية ($Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > (H) > Cu$), نجد أن المسافة بين $Ni$ و $Cu$ أقصر من المسافة بين $Zn$ و $Cu$. وبما أن القوة الدافعة الكهربائية تزداد كلما زادت المسافة بين الفلزين في المتسلسلة، فإن فرق الجهد الناتج عند استخدام $Ni$ و $Cu$ سيكون أقل مقارنة بخلية دانيال الأصلية ($Zn$ و $Cu$).

يزداد وزن قطب النحاس (الكاثود). السبب: عند الكاثود، تحدث عملية الاختزال حيث تكتسب أيونات النحاس ($Cu^{2+}$) الإلكترونات وتترسب على شكل ذرات نحاس صلبة ($Cu$) على سطح القطب. التفاعل: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$. أما قطب الزنك (الأنود)، فيقل وزنه بسبب تحوله إلى أيونات $Zn^{2+}$ التي تذوب في المحلول.