أسئلة: الخلية الكهروكيميائية (2) خلايا متنوعة

الإجابة الصحيحة: الرصاص $Pb$

في بطارية الرصاص الحمضية، يعمل الرصاص $Pb$ كأنود، بينما يعمل أكسيد الرصاص (IV) ككاثود.

الإجابة الصحيحة: يقل

يقل تركيز الحمض لأنه يُستهلك في التفاعل الكلي لتكوين كبريتات الرصاص والماء.

الإجابة الصحيحة: $9.65\times10^4\ \text{C/mol}$

ثابت فاراداي يعبر عن كمية الكهرباء لكل 1 mol من الإلكترونات وقيمته $9.65\times10^4\ \text{C/mol}$.

الإجابة الصحيحة: حمض الفوسفوريك

تستخدم خلية وقود الهيدروجين حمض الفوسفوريك $H_3PO_4$ كإلكتروليت.

الإجابة الصحيحة: $4.825\times10^4\ \text{C}$

كمية الكهرباء = $0.5 \times 9.65\times10^4 = 4.825\times10^4\ \text{C}$.

الإجابة الصحيحة: الماء

تفاعل الكاثود هو $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$، لذا الماء هو الناتج.

الإجابة الصحيحة: $PbO_2$

في بطارية الرصاص، يعمل أكسيد الرصاص (IV) $PbO_2$ ككاثود.

الإجابة الصحيحة: 4 mol

من معادلة الأنود $Pb + SO_4^{2-} \rightarrow PbSO_4 + 2e^-$، كل مول رصاص ينتج 2 مول إلكترون، لذا 2 مول رصاص ينتج 4 مول إلكترون.

الإجابة الصحيحة: الهيدروجين

الهيدروجين $H_2$ هو الذي يتأكسد عند الأنود، لذا فهو العامل المختزل.

الإجابة الصحيحة: $9.65\times10^{4}\ \text{C}$

ثابت فاراداي $F=9.65\times10^{4}\ \text{C/mol}$ هو شحنة مول واحد من الإلكترونات. القيمة $1.93\times10^{5}\ \text{C}$ شحنة مولين، و$6.02\times10^{23}$ عدد الإلكترونات لا الشحنة.

الإجابة الصحيحة: شحن البطارية

توصيل مصدر طاقة خارجي يعكس التفاعلات الكيميائية ويؤدي لشحن البطارية.

الإجابة الصحيحة: كبريتات الرصاص (II)

في تفاعلات الأنود والكاثود أثناء التفريغ، يتكون كبريتات الرصاص $PbSO_4$ عند القطبين.

الإجابة الصحيحة: $1.45\times10^{4}\ \text{C}$

كل مول يتحول من $\text{PbSO}_4$ إلى $\text{Pb}$ يفقد $96\ \text{g}$ ($\text{SO}_4$) ويستهلك $2\ \text{mol}$ إلكترونات: $\frac{7.2}{96}=0.075\ \text{mol}$، فتكون الإلكترونات $0.15\ \text{mol}$، و$Q=0.15\times9.65\times10^4\approx1.45\times10^4\ \text{C}$.

الإجابة الصحيحة: $4.83\times10^{4}\ \text{C}$

$n(\text{H}_2)=\frac{5.6}{22.4}=0.25\ \text{mol}$، وكل مول $\text{H}_2$ يعطي $2\ \text{mol}$ إلكترونات: $0.50\times9.65\times10^4\approx4.83\times10^4\ \text{C}$.

الإجابة الصحيحة: لأن الناتج الوحيد لتفاعلها الكلي هو الماء

التفاعل الكلي $2\text{H}_2+\text{O}_2\rightarrow2\text{H}_2\text{O}$ لا ينتج $\text{CO}_2$، أما الأكسجين فهو المؤكسد اللازم عند الكاثود.

يقل تركيز حمض الكبريتيك لأن جزيئات الحمض تُستهلك في التفاعل الكلي للبطارية ($Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow 2PbSO_4 + 2H_2O$)، حيث يتفاعل مع الرصاص وأكسيد الرصاص لتكوين كبريتات الرصاص والماء، مما يؤدي إلى تخفيف المحلول الإلكتروليتي.

كمية الكهرباء = كمية مادة الإلكترونات (mol) × ثابت فاراداي (C/mol). إذن: $Q = 3.0 \times 9.65\times10^4 = 2.895\times10^5\ \text{C}$.

المعادلة الكلية: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$. تُعتبر صديقة للبيئة لأن ناتجها الوحيد هو الماء، ولا ينتج عنها أي انبعاثات ضارة أو ملوثات للغلاف الجوي.

أثناء التفريغ، تعمل البطارية كخلية جلفانية حيث تتحول الطاقة الكيميائية إلى كهربائية ويُستهلك الحمض. أثناء الشحن، تعمل كخلية إلكتروليتية حيث يُستخدم مصدر طاقة خارجي لعكس التفاعلات، مما يؤدي إلى استعادة تركيز حمض الكبريتيك وتجديد أقطاب الرصاص وأكسيد الرصاص.

ثابت فاراداي ($F$) هو كمية الكهرباء التي يحملها 1 mol من الإلكترونات، وهي تكفي مثلًا لترسيب 1 mol من أيون أحادي الشحنة مثل $Ag^+$ أو نصف مول من أيون ثنائي الشحنة مثل $Cu^{2+}$، وقيمته تساوي $9.65\times10^4\ \text{C/mol}$.

تفاعل الأكسدة عند الأنود: $H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-$. تفاعل الاختزال عند الكاثود: $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$.