الخلايا الجلفانية والتحليل الكهربائي – جهود الأقطاب القياسية
الكيمياءالكيمياء الكهربائية17–18 سنةمختبر افتراضي
جارٍ التحميل…
سجّل الدخول للتشغيلنمط الخلية الجلفانية: قطبان فلزيان مغموران في محلولي ملحيهما، يصل بينهما سلك وقنطرة ملحية؛ وتتدفق الإلكترونات عبر السلك من الأنود (الفلز ذي E° الأقل، الذي يتأكسد ويذوب) إلى الكاثود (الذي تُختزل أيوناته وتترسب)، ويقرأ الفولتميتر جهد الخلية القياسي E°cell = E°(+) − E°(−) من جدول جهود الأقطاب القياسية. نمط التحليل الكهربائي: يدفع مصدر تيار مستمر الإلكترونات إلى الكاثود؛ وتهاجر الأيونات إلى القطبين، فينتج Cu أو H₂ أو O₂ أو Cl₂ أو Na بحسب المحلول، وتتبع كتلة الناتج العلاقة m = M·I·t/(n·F). ويضيف عرض «ΔG وK ونيرنست» العلاقتين ΔG° = −nFE°cell وK = e^(nFE°/RT) لكل خلية، ومنزلقي تركيز لنصفي الخلية ليتبع E معادلة نيرنست، ورسمًا بيانيًا لـ E مقابل log Q، وخلية تركيز Cu–Cu.
الدرس: جهود الأقطاب القياسية والخلايا الجلفانية (الفولتية)؛ التحليل الكهربائي للمحاليل والأملاح المنصهرة؛ معادلة نيرنست وΔG° = −nFE°
ماذا تعرض
تُعرض هنا عمليتان متعاكستان جنبًا إلى جنب. ففي الخلية الجلفانية يحوّل تفاعل أكسدة واختزال تلقائي الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية: يتأكسد الفلز ذو جهد القطب القياسي الأقل، وجهد الخلية هو الفرق بين قيمتي E°. ويربط عرض «ΔG وK ونيرنست» بين E°cell وΔG° = −nFE° وثابت الاتزان K، ويبيّن كيف ينخفض E كلما ازداد حاصل التفاعل Q حتى يبلغ الصفر عند الاتزان. أما التحليل الكهربائي فيعمل في الاتجاه المعاكس، إذ يستخدم الطاقة الكهربائية لإحداث تفاعل غير تلقائي؛ وتعتمد النواتج على الأنواع الأسهل اختزالًا وأكسدة.
طريقة الاستخدام
في نمط الخلية الجلفانية تنقّل بين خيارات «زوج الأقطاب (الخلية الجلفانية)»، واطلب من الطلاب توقع قراءة الفولتميتر من قيم E°. اضغط «ΔG وK ونيرنست»، وحرّك منزلقي التركيز، واضغط «تسجيل نقطة» عدة مرات، وتحقق من أن النقاط تقع على خط ميله −0.0592/n؛ ثم جرّب خلية التركيز Cu–Cu. اضغط «التحويل إلى التحليل الكهربائي»، وجرّب كل خيار في «الإلكتروليت»، وغيّر «التيار» لمقارنة كتلة الناتج.
المعاملات القابلة للتغيير
- النمط الخلية الجلفانية, التحليل الكهربائي
- زوج الأقطاب (الخلية الجلفانية) Zn–Cu, Mg–Cu, Fe–Cu, Zn–Ag, Cu–Ag, Zn–Fe, Al–Cu, Cu–Cu (خلية تركيز)
- الإلكتروليت (التحليل الكهربائي) محلول CuSO₄، أقطاب خاملة, محلول CuSO₄، أنود من Cu (تنقية/طلاء), محلول NaCl، مع حاجز, مصهور NaCl
- التيار 0.5–5 A
- سرعة الحركة 0.5–3 ×
- عرض الخلية الجلفانية الخلية القياسية (E°), ΔG وK ومعادلة نيرنست
- تركيز أيون الفلز، نصف الخلية الأيسر (نيرنست) 0.0001–2 mol/L
- تركيز أيون الفلز، نصف الخلية الأيمن (نيرنست) 0.0001–2 mol/L
أسئلة للاستكشاف
- أي زوج من الأقطاب يعطي أكبر جهد للخلية، وكيف تتوقع ذلك من جهود الأقطاب القياسية؟
- عند القطب السالب في الخلية الجلفانية، هل تحدث أكسدة أم اختزال، وماذا يحدث لكتلته؟
- لماذا ينتج الصوديوم عند التحليل الكهربائي لمصهور NaCl، ولا ينتج عند التحليل الكهربائي لمحلول NaCl؟
