final electrochemistry

حول اكتشاف الخاليا بداية القصة

الكهربائية

لفانيكالحظم1786عامفي

سلمعندالضفدعأطرافارتعاش

.مختلفينبمعدنينعضالته

أول خلية كهر وكيميائية

بقالسلفولتاكان

أولصناعةفي

عرفهابطارية

ليحوافيالتاريخ

.م1800عام

لكهربائية الكيميائي والطاقة االتغيرالعالقة بين

عامفيفاراديأكد

طريقعنم1825

يلالتحلفيتجاربه

ةالعالقائيةالكهرب

ميائيالكيالتغيربين

.الكهربائيةالطاقةو

الكيمياء الكهربائية

ة هي احد فروع علم الكيمياء يهتم بدراسالكيمياء الكهربائية•الكهروكيميائيةالتفاعالت

ثل انتقال هو الشحنات المنتقلة خالل وسيط ناقل مالتيار الكهربائي•ل االلكترونات خالل سلك موصل او انتقال االيونات في محلو

الكتروليتي ويقاس باالمبير

حنة وهو وحدة قياس الشحنة الكهربائية ويعادل كمية الشالكولوم •.الكترون6.25x1018الموجودة

ببه وحدة قياس شدة او مقدار التيار الكهربائي الذي يساالمبير•.مرور كولوم واحد خالل وسيط ناقل خالل ثانية واحدة

ور تيار وحدة قياس الجهد ويمثل فرق الجهد الذي يسببه مرالفولت•شدته امبير خالل وسيط ناقل مقاومته آوم واحد

-:ى نوعين وعي التفاعالت التي التي تنتج اوتستهلك طاقة وتكون عل

ي ينتج وهي التفاعالت التتفاعالت مولدة للطاقة الكهربائية•

∆ Eتكون سالبة و ∆ Gعنها طاقة كهربائية وتكون تلقائية أي ان

(الفولتائية)تكون موجبة وهي التفاعالت تحدث في الخاليا الكلفانية

التي وهي التفاعالتتفاعالت مستهلكة للطاقة الكهربائية•

تكون موجبة و ∆ Gتستهلك طاقة كهربائية وتكون التلقائية أي ان

E ∆وليتية أي تكون سالبة وهي التفاعالت تحدث في الخاليا االلكتر

مثل خاليا الطالء الكهربائي .خاليا التحلل الكهربائي

ئيةماهي التفاعالت الكهروكيما

ماهي الخلية ؟و وما هو االنود؟ وما هو الكاثود؟

ينهما الخلية جهاز كهربائي ناتج عن ربط قطبين يسري ب•

لفانية تيار كهربائي وهي على توعين كما قلنا الخاليا الك

والخاليا االلكتروليتية ( الفولتائية)

اما االنود هو مصدر االلكترونات وتحدث عنده عملية •

التاكسد

ية اما الكاثود هو مستورد االلكترونات وتحدث عنده عمل•

االختزال

لكذالكيميائيةالتفاعالتمننوعأيولكن

؟كهربائيةطاقةينتجأنيمكنالذي

.ال إنها بالتأكيد تفاعالت األكسدة واالختز

التيالتفاعالت:هيواالختزالاألكسدةتفاعالت

إلىذرةمنلإللكترونـاتانتقالفيهـــايحدث

التاكسديعددالفيتغييريحدثبحيثأخرى

.لعناصرل

تفاعالت األكسدة واالختزال

األكسدة

أو عملية فقدان ذرة العنصر إللكترون: األكسدة

.صرأكثر ، وينتج عنه زيادة في عدد األكسدة للعن

مثال

Zn - 2e Zn ++-

Zn Zn + 2e++ -

االختزال

ن أو عملية اكتساب ذرة العنصر إللكترو: االختزال

.رأكثر ، وينتج عنه نقصان في عدد أكسدة العنص

مثال

Cu + 2e Cu ++ -

.......3+، 2+، 1+، صفر ، 1-، 2-، 3-، .......

(اختزال ) اتجاه نقصان عدد األكسدة

(أكسدة ) اتجاه ازدياد عدد األكسدة

دةعالقة عمليتي األكسدة واالختزال بعدد األكس

معنىبمتالزمتانعمليتانواالختزالاألكسدةعملية

عمليةحدوثمنالبدأكسدةعمليةحدوثعندأنه

ملمكتفاعلنصفمنهماكليشكلبحيثاختزال

علىفالكليالتفاعلعلىنحصلوبجمعهمالألخر

ابقينالسالتفاعلنصفيجمعيمكنالمثالسبيل

.أعالهواالختزالاألكسدةتفاعلعلىلنحصل

Zn + Cu Zn + Cu ++ ++

العامل ماهوالعامل المؤكسد ولكن ماهو

المختزل

يرهاغوتؤكسدتختزلالتيالمادة:المؤكسدالعامل

.لالتفاعفياكسدتهاعددينقصالتيالمادةأي

يرهاغوتختزلتتأكسدالتيالمادة:المختزلالعامل

.التفاعلفياكسدتهاعدديزدادالتيالمادةأي

Zn + Cu Zn + Cu ++ ++

عامل مختزلعامل مؤكسد

بـالـرغـم من حـــدوث

ي تفاعل اكسدة واختزال ف

هذا الكأس إال اننا ال

يمـكن أن نحصـــل منه

ي ي فائهربكعلى تيار

. هذه الحالة

لماذا ؟

هذهفيكهربيتيارعلىحصولناعدمسببإن

منشرةمباتنتقلااللكتروناتأنإلىيرجعالحالة

عرفيماعبرالنحاسأيوناتإلىالخارصينفلز

نمالبدالمشكلةهذهولحل،القصيرةبالدائرة

هشبغشاءباستخدامالتفاعلنصفيفصل

نجعلبحيثمختلفينكأسينفيأو(مسامي)منفذ

.معدنيسلكعبرتسريااللكترونات

رةانتقال االلكترونات عبر الدائرة القصي

Cu + 2e Cu++Zn Zn + 2e++

Zn + Cu Zn + Cu++++

الكاثودا(اختزال)

نوداال(اكسدة)

انتقال االلكترونات عبر سلك معدني

Zn

Zn Cu

Cu

++ ++

أحدهمافييتمقطبينمنةلفانيالكالخليةتتألف-1

.اختزالتفاعلاألخروفيأكسدةتفاعل

ألكسدةاتفاعلنصففيهيتمالذيالقطبيعرف-3

الختزالاتفاعلنصففيهيتمالذيالقطب،دنوباال

.كاثودبال

.ائيا تلقلفانيةكالالخليةفيالتفاعليحدث-2

انواع الخاليا الكهربائية

لفانيةكالخلية ال1

يثحنوداالمنالخليةفيااللكتروناتتتجه-5

لكتستهحيثكاثودالإلىااللكتروناتتتولد

نبيطقبينيصلمعدنيسلكعبرااللكترونات

.التيارعنللكشفالفولتميتربالسلكويمرمعدنيين

لفانيةكتركيب الخلية ال

لقطبينافييحدثاناللذانالتفاعلنصفيبجمع-4

.ليةالخفييتمالذيالكليالتفاعلعلىنحصل

هووملحيجسرالخليةفيالمحلولينبينيصل-6

ثلمقويالكتروليتعلىيحتويانبوبعنعبارة

KCl, NaCl, K2SO4اليتغير كيميائيا اثناء عمل

الخلية

الجسر الملحي ؟....... لماذا

نات من اح بانتقال األيوسمية وللائالكمال الدائرة الكهرب

.وإلى المحلولين

Salt bridge

An inverted U tube containing a gel permeated with solution of an inert electrolyte such as KCl, Na2SO4, NH4NO3.

Functions

Salt bridge helps to maintain electrical neutrality Completes the circuit by allowing ions carrying charge to move from one half-cell to the other.

21

يوناتلألمخزنا عتبريالملحيجسرالفإنهذاوعلى

أحدمناأليوناتالنتقالووسيلةوالسالبةالموجبة

وازنالتحالةعلىالحفاظلغرضاألخرإلىالقطبين

أساسيا شرطا يعتبروالذيالمحلولينفييائالكهرب

.يائالكهربالتيارسريانالستمرار

الملحيجسرالوظيفة

Reactions Involved:

•Anode: Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e-

•Cathode: Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s)

•Overall cell

•reaction :

Zn (s) + Cu2+ (aq) Zn2+(aq) + Cu (s)

23

Cell notation

Zn (s) + Cu2+ (aq) → Cu (s) + Zn2+ (aq)

•Also can be represented as:

•Zn(s) / Zn2+

(aq) // Cu2+

(aq) /Cu(s)

•Anode cathode

24

(E) جهد القطب

عنالناشئيائالكهربالجهدهو:القطبجهد

.بالقطفييتمالذيواالختزالاألكسدةتفاعل

الةحفيأكسدةجهد،يائالكهربالجهدهذاويكون

تفاعلفياختزالوجهداألكسدةتفاعلحدوث

الواحدللقطبالجهدينهذينوقيمة،االختزال

.اإلشارةاختالفمعمتساوية

Eي جهد القطب القياسي وفرق جهد الخلية القياس0

عندالكهروكيميائيةالخليةجهدفرقيعرف

كما،القياسيالخليةجهدبفرقالقياسيةالظروف

بجهودالظروفهذهعنداألقطابجهودتعرف

:هيياللخالالقياسيةوالظروف،القياسيةاألقطاب

واحدجويضغطوللمحاليلموالر1تركيز

.مئويةدرجة25عندللغازات

فيالفولتميترعلىالمسجلالجهدفرقفيكون

هدجالنوذلكالمجهولالقطبلجهدمساويا الخلية

هدالجهذاويكون،صفريساويالهيدروجينقطب

يتمالذيالتفاعلكانإذاأكسدةجهدللقطبالمعين

لالتفاعكانإذااختزالوجهد،أكسدةتفاعلفيه

ريقةالطوبهذه.اختزالتفاعلالقطبفييتمالذي

.وفةالمعراألقطابلكليائالكهربالجهدتحديدتم

.اختزالأوأكسدةكجهودجدولفيورتبت

.ة كيفية تعيين جهود األقطاب القياسي

.ية كيفية تعيين جهود األقطاب القياس

تحديدولغرض،الجهدمعروفقطبيوجدال

وجينالهيدرقطباختيارتمالقياسيةاألقطابجهود

األقطابجهودلقياسمرجعكقطبالقياسي

نالهيدروجيقطباعطاءعلىاالتفاقوتماألخرى

فإذايهوعل،الصفريساويافتراضيجهدالقياسي

توصيلهاالعليناماقطبأيجهدتحديدأردنا

.القياسيةالظروفعندالهيدروجينبقطب

ليةالعوامل المؤثرة في قيمة فرق جهد الخ

( .ة نوع األقطاب المكونة للخلي) طبيعة المواد -1

.تركيز المحاليل في الخلية -2

.ضغط الغاز في حالة وجوده -3

.درجة الحرارة -4

(لية نوع األقطاب المكونة للخ) طبيعة المواد : أوال

الكيميائيللتفاعلقابليتهافيالموادتختلفشكبال

الخليةجهدوفرق،اختزالأوأكسدةسواء

اللذاناعلالتفنصفيقوةعلىيعتمدالكهروكيميائية

نوداالمادةقابليةازدادتفكلما،الخليةفييتمان

ختزالااللعمليةكاثودالمادةوقابليةاألكسدةلعملية

فرققيمةفيتفاوتا نجدفإننالذاالخليةجهدفرقزاد

.ليةللخالمكونةاألقطابنوعباختالفالناتجالجهد

الخليةتركيز المحاليل في: ثانيا

يةالكهروكيميائالخليةجهدفرققيمةتتأثر

وهذا،نالقطبيفيالموجودينالمحلولينبتركيز

فيالمتولدالجهدفإنعرفنافكماواضحأمر

تزالاالخواألكسدةتفاعلقوةعليعتمدالخلية

فاعلالتنصفيوقوة،الخليةفييتماناللذان

نينالمكوالمحلولينبتركيزيتأثرانبدورهما

.للخلية

قطب الهيدروجين القياسي

حة من انبوبة زجاجية ذات فتيتألف قطب الهيدروجين القياسي

غط تحت ضغاز الهيدروجينجانبية يمر من خاللها تيار مستمر

يني ويمتد داخل االنبوبة سلك بالت.درجة مئوية 25جوي واحد عند

د وتكون ينتهي الى االسفل بقطعة بالتين مغطاة بالبالتين االسو

ولقد تم موالر1تركيزه HClمض احة في محلولرمغمواالنبوبة

ارة صفر ويسلك كاثود تارة وانود ت=القياسي H2اعتبار جهد قطب

اخرى حسب القطب االخر المرتبط به في الخلية

عة ما السبب في استخدام سلك من البالتين قطالبالتين االسود في قطب الهيدروجين؟

لقابلية قطعة البالتين على امتزاز جزيئات غاز1.

.الهيدروجين

لذلك التحصل له H2الن البالتين اقل فعالية من غاز2.

عملية تاكسد

ائي في حين الن البالتين له القابلية على التوصيل الكهرب3.

..غير موصل للكهربائيةH2ان

Standard Hydrogen Electrode (SHE)

Made up of a platinum electrode, immersed in an

aqueous solution of H+ (1 M) and bubbled with

hydrogen gas at 1 atm pressure, and temperature at

25oC

H2 gasat 1 atm

34

قطب الهيدروجين القياسى

درجة مئوي25موالر1

=2H + 2 e H2+

H2

ضغط جوي1

؟ردةي في األقطاب المنفائهل يمكن قياس الجهد الكهرب

هاقياسيمكنالمطلقةفيزيائيةقيمةالقطبجهد

عضهماببقطبينتوصيلتمإذاولكن،الواحدللقطب

فرقرفيع.القطبينبينالجهدفرققياسفباإلمكان

يمكنالذيالكهروكيميائيةالخليةجهدبفرقهذاالجهد

Eبالحرفلهنرمزأن الخليةجهدويسمى)أيضا

).

(E) فرق جهد الخلية الكهروكيميائية

السلسلة الكهروكيميائية

جهوديضمجدولعنعبارةالكهروكيميائيةالسلسلة

تبةمروالموادالعناصرمنلكثيرالقياسيةاألقطاب

بقطإلىنسبةتحديدهاتماختزالأوأكسدةكجهود

.القياسيالهيدروجين

الموجبالقطبجهدذاتوالموادالعناصر

(لسلةالمتسفيالهيدروجينعنصرتعلواالتي)

(دةأكسعوامل)االختزاللعمليةقابليةذاتمواد

عنصرأسفلتقعالتيوالموادالعناصرأما

األكسدةلعمليةقابليةذاتموادالهيدروجين

(اختزالعوامل)

زادتكلماايجابا القطبجهدقيمةزادتكلما

كسدةأكعاملالقوةوزادتاالختزاللعمليةالقابلية

ىأعللهالذيالعنصرفيكون،صحيحوالعكس

ليةلعمقابليةالموادأكثر(الفلور)موجبةقيمة

ومالليثي،أماأكسدةكعاملالموادوأقوىاالختزال

ادالموأكثرفهوالقطبلجهدقيمةأصغرلهالذي

.اختزالكعاملوأقواهالألكسدةقابلية

أكسدةعتستطيالمتسلسلةفيمادةأوعنصرفكل

طيعيستعنصروكل،منهأسفلتقعالتيالمادة

مأهمنفإنهذاوعلى،تعلوهالتيالمادةاختزال

ماتوقعيعنستطأنناالكهروكيميائيةالسلسلةفوائد

.الأمتلقائيا يحدثأنيمكنماتفاعلكانإذا

Cu + 2e Cu++

H2 2H + 2 e +

الكاثودا(اختزال)

االنود(اكسدة)

+ 0.34 V

جهد اختزال النحاس

H2

ضغط جوي1

موالر1

درجة مئوي25

االنود(اكسدة)

كاثودال(اختزال)

Zn Zn + 2e++

2H + 2 e H2

+

-0.76 V

جهد اختزال الخارصين

H2

موالر1

ةدرجة مئوي25

المتسلسلة الكهروكيميائية

فولت2.87+ الفلور

فولت3.05-الليثيوم

فولت0.44-الحديد

فولت0.34+ النحاس

فولت0.76-الخارصين

فولت0.80+ الفضة

( E) جهد االختزال (القطب )

صفرالهيدروجين

0زختال ليةابللق اادزدت

لا

دةسأكل امكعة قو الادزدت

44

ة من أشهر الخاليا الكهروكيميائي

ءانافيرمغموالنحاسقطبمنتتألفوالتي

بقطو،النحاسكبريتاتمحلولعلىيحتوي

علىيحتوياناءفيرمغموالخارصينمن

نطبيلقابينويصل،الخارصينكبريتاتمحلول

بينلويص،بالفولتميتيريرتبطمعدنيسلك

الكمالالملحيبالجسريعرفماالمحلولين

.يةائالكهربالدائرة

يةمثال على الخاليا الكلفانخلية دانيال

Zn + Cu Zn + Cu++++

Cu + 2e Cu++

Zn Zn + 2e++

النودا(اكسدة)

-

كاثودال(اختزال)

+

خلية دانيال

Zn + Cu Zn + Cu++++

اتجاه انتاج الجهد

يائالكهرب

قاعدةمبدأخاللمنأكبربشكلاألثرهذاتوضيحويمكن

الذيلكلياالتفاعلعلىالمبدأهذاطبقنافلوشاتلييهيل

Znناتأيوتركيزبزيادةأنهنالحظدانيالخليةفييتم

فيأيالعكسياالتجاهفييتجهالتفاعلفإندنواالفي

فيلكوكذالناتجيائالكهربالجهدفيهيقلالذياالتجاه

فيالموجودةCu++النحاسأيوناتتركيزنقصانحال

.كاثودال

++

فولت عند 1.1فرق الجهد في خلية دانيال يساوي

.ظروف معينة

نوداال(اكسدة)

كاثودال(اختزال)

Zn + Cu Zn + Cu++++

Cu + 2e Cu++

Zn Zn + 2e++

1.1 V

2Ag + 2e 2Ag+

Cu Cu + 2e ++

2Ag + Cu 2 Ag + Cu+++

كاثودال(اختزال)

نوداال(اكسدة)

0.46 V

يكتب الطور الصلب اوال ومن ثم المحلول كتابة االنود

صل بين االلكتروليتي وتركيزه يوضع بين قوسين ويف

الطورين خط عمودي

Zn / ZnSO4(aq.,1M)

زه اوال يكتب الطور االلكتروليتي وتركيكتابة الكاثود

ومن ثم الطور الصلب ويفصل بين الطوؤين خط عمودي CuSO4(aq.,1M ) / Cu

لفانيةكالخاليا ال( تمثيل ) ترميز

التعبير عن الخلية

يمين يكتب االنود على اليسار والكاثود الى ال•

هما بينهما جسر ملحي فيوضع بين║واذا كان

خطين متوازيين عموديين وفي حالة وجود

│حاجز مسامي فيوضع خط عمودي واحد

Zn/ZnSO4(aq.,1M) CuSO4(aq.,1M ) / Cu

سيحساب جهد الخلية الكهروكيميائية القيا

يمكن حساب جهد الخلية الكهروكيميائية

:القياسي من العالقة

E = E + ECell CaAn

(انود)(كاثود)

000

أمثلة ومسائل

تفاعل احسب جهد الخلية الكهروكيميائية الممثلة في ال

: التالي

-)القطب القياسي للخارصين اختزالعلما بأن جهد 0.76 V. )

؟فولت ( .V 0.34+)وللنحاس

بما ان جهد اختزال النحاس أكبر من جهد اختزال الخارصين

لو لذا فات الكاثود لنحاس واالنود هو الخارصين وهذا صحيح

ين الخلية فتحول الخارصين من فلز الخارصنظرنا الى معادلة

اسالى ايون الخارصين وتحول ايون ا لنحاس الى فلز النح

Zn + Cu Zn + Cu++++

++ Zn → Znتاكسد +volt0.76انود +

2e

Cuأختزال +volt0.34كاثود ++ + 2e → Cu

-------------------------------------------------

Zn + Cu ++ → Zn++ + Cu 1.1 volt

ي بالجمع للجهدين نحصل على جهد الخلية القياس

فولت.11ويساوي

Zn + Cu Zn + Cu++++

1بتركيز Ag+في محلول يحتوي على ايونات

؟Ag=0.80+جهد اختزالعلما ان موالريان تفاعل نصفي الخلية هما

→e2 +Ag+22Agتاكسد E =0.80ە=0ە Eختزال اH2→ e2+2 H+

0.80ە - = E↑H2 ++Ag22Ag + 2 H+ →

ائي بما ان جهد الخلية سالب فمعنى هذا ان التفاعل التلق

سي لذا فانه اليمكن اذابة فلز الفضة وان التفاعل العك

هو التفاعل التلقائي

1بتركيز +Hمحلول يحتوي على ايونات مثال

هل H2جو من غاز1موالري وتحت ضغط جوي

بامكان هذا المحلول اذابة فلز الفضة الموجود

Exercise

•Arrange the 3 elements in order of increasing strength of reducing agents

•X3+ + 3e- X E0 = -1.66 V

•Y2+ + 2e- Y E0 = -2.87 V

•L2+ + 2e- L E0 = +0.85 V

•Answer : Y > X > L

•L < X < Y 57

•Calculate the standard cell potential of the following

•electrochemical cell.

•Co(s) / Co2+(aq) // Ag+(aq) / Ag(s)

•Anode (Ox) :Co(s) Co2+(aq) + 2e-

•Cathode (Red) :

•2Ag+(aq) +2 e- 2Ag(aq)E0

cell = E0cathode - E0

anode

•= +0.80 – (-0.28)

•= +1.08 V 58

For the cell below, write the reaction at anode and cathode and also the overall cell reaction.

Zn (s) | Zn2+(aq) || Cr3+ (aq) | Cr (s)

•

•Anode : 3 Zn → Zn2+ + 6e- :x 3

•Cathode :2 Cr3+ +6e- → 2 Cr x 2

•Overall cell

•reaction:

3Zn(s) + 2Cr3+(aq) → 3Zn2+ (aq) +2Cr(s)

•

59

Calculate the Eocell for the reaction ::

Mg(p) | Mg2+(ak) || Sn4+

(ak),Sn2+(ak) | Pt(p)

Mg2+(ak) + 2e→ Mg(p) Eθ = -2.38 V

Sn4+(ak) + 2e → Sn2+

(ak) Eθ= +0.15 V

Oxidation : Mg(p) → Mg2+(ak) + 2e Eo

ox = +2.38 V

Reduction : Sn4+(ak) + 2e → Sn2+

(ak) Eo = +0.15 V

Mg(p) + Sn4+(ak) → Mg2+

(ak) + Sn2+(ak) Ecell = +2.53 V

Eθcell = E

ored + E

oox

= +2.38 + 0.15

= +2.53 V

60

Predict : Spontaneous or

non-spontaneous?

•Zn + Sn4+ → Sn

2++ Zn

2+

Eθcell = E

ored + E

oox

•= + 0.76 + 0.15 = +0.91 V.

•Spontaneous تلقائي

61

Predict : Spontaneous or

non-spontaneous?

Pb2+(aq) + 2Cl-(aq) → Pb(s) + Cl2(g)

•Eθcell = E

ored + E

oox

•= (-1.36) + (-0.13)

= - 1.49 V

. Non-spontaneous

No Reaction

62

Predict whether the following reactions occur spontaneously :

2Ag(s) + Br2(aq) → 2Ag+(aq) + 2Br-

(aq)

•Eθcell = E

ored + E

oox

•= +1.07 V + - 0.80 V

•= + 0.27 V

•. The reaction is spontaneous

63

A cell consists of silver and tin in a solution of 1 M silver ions and tin (II) ions. Determine the spontaneity of the reaction and calculate the cell voltage of this reaction.

Sn(s) + 2Ag+(aq) → Sn2+

(aq) + 2Ag (s)

Eθcell = E

ored + E

oox

= +0.80 – (-0.14)

= +0.94 V

E0cell = +ve ( reaction is spontaneous)

64

قياس جهود االقطاب والخاليا الغير

(معادلة نيرنست)القياسية

يةرياضعالقةإلىالتوصلنيرنستاستطاع

ركيزوتوكيميائيةالكهرالخليةجهدبينتربط

يوفالقياسيةالغيرالخالياأيفيهاالمحاليل

االخاليجهودقياسأيالمختلفةالحرارةدرجات

فيتوصيغواحدتساويالفعاليتهاتكونالتي

:التاليالقانون

Nernst equation

•Nernst equation can be used to calculate

the E cell for any chosen concentration :

• Ecell = Eocell – RT ln [products]

•nF [reactants]

= Eocell – 0.059 log [products]

n [reactants]

n = no of e- that are involved

66

Fأما.مكافئ/كولوم96487=فاراديثابتK

القيمهذهبالتعويضوعند،للتفاعلاالتزانثابتفهي

نحصلمطلقةدرجة298عندالسابقةالمعادلةفي

:التاليةالمعادلةافيالعالقةعلى

العالقة بين الجهد والتركيز

kn

EE ln0592.0

0

0

lnnF

RTEE K0

Cell Cell

T، مطلقة.مول/جول8.314=الثابت العام للغازاتRحيث

فيتبادلة عدد االلكترونات المnدرجة الحرارة المطلقة ،

كولوم96500 =الفراداي Fاالكسدة واالختزال ،تفاعل

مطلقة فيكون الحد298م أي 25وفي درجة

RT2.303=0.0592 م 25وعليه ستكون المعادلة عند

F

جهد الخلية وحالة التوازن

تائية يبدا عند االستمرار في التفريغ الكهربائي للخلية الفولح جهدها باالنخفاض الى ان يصبح صفر وعندئذ يصب= ل التفاعل العام للخلية في حالة توازن وحاصل التفاعل على ثابت التوازن وبالتعويض في معادلة نيرنست نحص

مايلي

في أي درجة حرارة

KnF

RTE ln

303.2

م 25عند K

nE ln

0592.0

جهد الخلية والطاقة الحرة

G = 2.303RTlnK --------- (1)∆

2.303RT / nF lnk -- ------- Eە= (2)

وبالتبسيط نحصل على2على 1بقسمة معادلة Eە G = - nF ∆

يجب ان تكون بالجول ∆ Gوان وحدة ال

ويمكن استخدام العالقة اعالة في جميع درجات الحرارة

G = - n FE∆

كونيعندمادانيالخليةفييائالكهربالجهداحسب

وتركيزموالر،0.001الخارصينأيوناتتركيز

.مئويةدرجة25عندموالر1النحاسأيونات

E = E - 0.0592/2 ln0.001/1cell

0

cell

= 1.1 + 0.089 = 1.19 V

مثال على معادلة نيرنست

Calculate the Ecell for the following cellZn(s) / Zn2+ (aq, 0.02M) // Cu2+(aq, 0.40 M) / Cu(s)

Zn(s) + Cu2+(aq)→ Zn2+(aq) + Cu(s)

•E = Eo – 0.0592 log [ Zn2+]

•n [ Cu2+]

E = +1.10 V – 0.0592 log (0.02 )

2 ( 0.40)

= +1.10 V – (-0.0385)

= +1.139 V

72

Calculate the equilibrium constant (K) for the following reaction.Cu(s) + 2Ag+

(aq) → Cu2+(aq) + 2Ag(s)

•Answer

•log K = Eo cell n

•0.059•= +0.46 x 2/0.059

•= 15.54

•

•K = 3.467 x 1015

73

يل جهاز التحل)الخلية االلكتروليتية -2

(الكهربائي

الكهربائيللتيارمستهلكةخليةوهي

مصدرمنالكهربائيةالطاقةتحول

صرعنابهيئةكيمياويةطاقةالىخارجي

هاوعملالقطبينعندمتحررةاومترسبة

عليهااالمثلةومنتلقائيغيريكون

.الكهربائيالطالءخاليا

Electrolysis

Electrolysis is a chemical process that uses electricity

for a non-spontaneous redox reaction to occur. Such

reactions take place in electrolytic cells.

Electrolytic Cell

It is made up of 2 electrodes immersed in an

electrolyte.

A direct current (D C) is passed through the electrolyte

from an external source.

Molten salt and aqueous ionic solution are commonly

used as electrolytes. 75

االلكتروليتيةكيف تعمل الخلية

تتكون من اناء واحد يحتوي على محلول او منصهر

ن من كلوريد النحاسيك ويوضع في هذا المحلول قطبي

در تيار الكرافيت متصلين بسلكين خارجيين الى مص

حيث تكتمل الدائرة ( بطارية)كهربائي مستمر

الكهربائية

77

يةماذا يحصل داخل الخلية االلكتروليت

نحو القطب ++Cuااليونات الموجبة تنتقل-1

لكي تكتسب منه االلكترونات( الكاثود (السالب

وتتحول الى ذرات النحاس المترسبة أي تحصل

عملية اختزال

Cu++ + 2e→ Cuاختزال

نحو القطب - Clااليونات السالبة تتحرك -2

طب لكي تفقد الكتروناتها عند الق( االنود (الموجب

ي الموجب وتتحول الى جزيئات الكلور المتحررة أ

-Clتاكسدتحصل عملية + e- → Cl

2Cl- → Cl2+ 2e

تاكسد

الخاليا التحليلية

- +

بطارية

االنود+- الكاثود

Cl-

++

بي التحليل الكهر

كلوريدلمحلول

النحاسيك

Cu + 2e Cu++

2Cl Cl2+ 2e-

Cu

Electrolysis of

molten salt

Electrolysis of molten salt requires high temp.Electrolysis of molten NaCl

Anode : 2 Cl- (l) → Cl2(g) + 2e-

Cathode :2Na+ (l) +2e- → 2 Na (s)----------------------------------------------------------------

Overall:2Na+ (l) +2Cl-(l) → Cl2(g)+ 2Na(s)81

Electrolysis of

Aqueous Salt

Electrolysis of aqueous salt is more complexbecause the presence of water.

Aqueous salt solutions contains anion, cation and water.

Water is an electro-active substance that may be

oxidised or reduced in the process depending on

the condition of electrolysis.

•Reduction :2H2O (l) + 2e- → H2 (g) + 2OH- (aq) E0 = -0.83 VOxidation :2H2O (l) → 4H+ (aq) + O2 (g) + 4e- E0 = -1.23 V

82

Electrolysis of

Aqueous NaCl

•the cathode attracts Na+ ion and H2O molecules

•the anode attracts Cl- ion and H2O moleculesThe electrolysis of aqueous Na Cl depends on

the

concentration of electrolyte.

83

Electrolysis of diluted NaCl

solution

CathodeNa+ (aq) + e- → Na (s) E0 = -2.71 V2H2O (l) + 2e- → H2 (g) + 2OH- (aq) E0 =-0.83 V

E0 for water molecules is more positive.

H2O easier to reduce.Anode:(E0 For oxidation)Cl2 (g) + 2e- → 2Cl- (aq) E0 = -1.36 VO2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- → 2H2O (l) E0 = -1.23 V

In dilute solution, water will be selected for oxidation because of its lower Eo.

84

•Reactions involvedCathode:

•4H2O (l) + 4e- → 2 H2 (g) +4OH- (aq) E0=-0.83

•Anode:2H2O (l)→ O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- E0 = -1.23 V---------------------------------

6H2O(l) → O2(g) + 2H2(g) + 4OH-(aq) + 4H+(aq)

•4 H2O

•2H2O(l)→ O2(g) + 2H2(g)

•E0cell=-2.06 V

85

Electrolysis of concentrated

NaCl solution

In concentrated solution, chloride ions will be oxidised because of its high concentration.

•Reactions involved

Cathode:2H2O(l) +2e- → H2(g) +2OH- (aq)E0=-0.83 VAnode:2Cl- (aq) → Cl2 (g) + 2e- E0 = -1.36 V----------------------------------------

Cell reaction:2H2O(l) +2Cl- → Cl2(g) + H2(g) + 2OH-(aq)

E0cell = -2.19 V

86

Predict the electrolysis reaction when

•Na2SO4 solution is electrolysed using platinum electrodes.

•Solution:

Na2SO4 aqueous solution contains Na+ ion, SO42-

ion and water molecules .

On electrolysis,

the cathode attracts Na+ ion and H2O molecules

•the anode attracts SO42- ion and H2O

molecules

87

•Cathode:Na+ (aq) + e- → Na (s) E0 = -2.71 V

2H2O (l) + 2e- → H2 (g) + 2OH- (aq) E0 =-0.83 V

E0 for water molecules is more positive

H2O easier to reduceAnode : E0 for oxidation)S2O8

2- (aq) +2e- → 2SO42- (aq) E0 = -2.01 V

O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- → 2H2O (l) E0 = -1.23 V

E0 for water molecules is less positive

H2O easier to oxidise

88

•Equation

•Cathode:

2H2O (l)+2e-→ H2 (g)+2OH-(aq) E0 =-0.83 V

•Anode:2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- E0 = -1.23 V

Cell Reaction:

•2H2O(l)→O2(g) +2H2(g) E0 cell=-2.06 V

Cathode = H2 gas is produced and solution becomebasic at cathode because OH- ions are formed

Anode = O2 gas is produced and solution become

acidic at anode because H+ ions are formed

89

90

اخربفلزفلزمنمصنوعةاداةاكساءعمليةهي

بهاليكسوغيرهاخاتماوساعةقائشتكونقدواالداة

والصدأالتاكلمنليقيهااوفيهمرغوبمنظرا

ذهبالاوالفضةمثلبهالطالءالمرادالفلزفنجعل

ونجعلهاتنظفطالئهاالمرادالقطعةاماالخليةانود

مالحااحدعلىيحتويالخليةومحلولالخليةكاثود

ماهو الطالء الكهربائي

كيف نحصل على طالء جيد

نترات امالح الفلز المراد الطالء بها مثل نترات الفضة او

الذهب

لية الطالء يعتمد على شدة التيار المار في محلول الخ

ا كانت وعلى تركيز ايونات الفلز المراد الطالء بها فكلم

يل كلما شدة التيار ضعيفة وكانت تركيز ايون الفلز قل

كان الطالء جيد

Faraday’s Law of Electrolysis

Describes the relationship between the amount ofelectricity passed through an electrolytic cell and the amount of substances produced at electrode.

Faraday’s First Law

States that the quantity of

substance formed at an

electrode is directly proportional

to the quantity of

electric charge supplied. 92

Faraday’s 1st Law

•m α Q

•Q = electric charge in coulombs (C)

•m = mass of substance discharged

93

Q = It

•Q = electric charge in coulombs (C)

•I = current in amperes (A)

•t = time in second (s)

•Faraday constant (F)

•is the charge on 1 mole of

electron

•1 F = 96 500 Columb

94

بةالمترسأوالمتحررةالمادةكتلة:األولالقانون

كميةمعطرديا تتناسبالكهربيالتحليلخليةفي

.المحلولفيالمارةالكهرباء

QW

t I x =W

هو الزمنtهو التيار الكهربائي ، Iحيث

ةكمية الكهربائيQ:أي أن

رسبةالمتأوالمتحررةالمادةكتلة:الثانيالقانون

معيا طردتتناسبيائالكهربالتحليلخليةفي

.راميغالالمكافئالوزن

eWe / F =W :أي أن

ويساويراميغالالمكافئالوزنeحيث

.التناسبثابت=F/1،التكافؤعدد/الذريالوزن

t x e / FI x =W

:وبدمج قانوني فاراداي نحصل على

F=(96498= الفراداي)

t x e / 96500I x =W

96500/الكولوماتعدد=الفرادايعدداذن

عدد /عدد الذرات الفلز المترسبة= )او عدد الفراداي

التكافؤ للعنصر )xأفوكادرو

x 2( عدد أفوكادرو/عدد الجزيئات= )عدد الفراداي

(التكافؤ للعنصر)

الوزن الجزيئي/وزن الغاز المتحرر= عدد الفراداي

x( 22.4/ حجم الغاز في ظروف قياسية= )عدد الفراداي

(التكافؤ للعنصر2)

22.42 /في ظروف قياسية Cl2حجم = 0.02 x

224C m3= لتر Cl2 =0.224أذن حجم

x( 22.4/ حجم الغاز في ظروف قياسية= )عدد الفراداي

(للجزيئة) التكافؤ 2)

•Example: An aqueous solution of

CuSO4 is electrolyzed using a

current of 0.150 A for 5 hours.

Calculate the mass of copper

deposited at the cathode?.

Electric charge, Q = Current (I) x time (t)

•Q = (0.150 A) x ( 5 x 60 x 60 )s

•Q = 2700 C

•1 mole of electron Ξ 1 F Ξ 96 500 C

•No. of e- passed through = 2700

•96 500

= 0.028 mol•

100

Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s)

•From equation:

•2 mol electrons 1 mol Cu

•0.028 mol electrons 0.014 mol Cu

•Mr for Cu = 63.5Mass of Copper deposited = 0.014 x 63.5

•= 0.889 g101

؟23=للصوديومالذريالوزنبأنعلما االنودعلى

96500/الكولوماتعدد=الفرادايعدد

فراداي0.02=1930/96500=

التكافؤxالذريوزته/Naوزن=الفرادايعدد

Na/23x1وزن=0.02

غمNa=0.46وزن

المترسبة بعد مروركمية الصوديوماحسب مثال

د كلوريمن منصهرخالل ئيةكولوم من الكهربا1930

حجم الغاز المتحرر في ظروف قياسية(2الصوديوم

خاليا التركيز

شابهينمتقطبينمنتتألفخالياالتركيزخاليا

تركيزالختالفنتيجةيائكهربتيارفيهايتولد

سريانويكون،القطبينفيالموجودينالمحلولين

يفالتركيزمساواةإلىيميلاتجاهفيالتيار

.المحلولين

تركيز

أعلىتركيز

أقل

كاثودال(اختزال)

دنواال(اكسدة)

Cu Cu + 2e ++

Cu + 2e Cu++

د كسيوأ)كسيد الزئبق أووخلية أ

(الفضة

مة وهي تلك الخاليا المستخد

قة االجهزه الحساسة والدقيفي

الساعات مثل الكاميرات و

وبعضواجهزة السمعاليدوية

: اهم مميزاتهاالحاسبات

ثبوت (2صغيرة الحجم (1

تعمل في محيط (3جهدها

قاعدي

تركيب الخلبية الزئبقية

Hgoذ و فيتكون من الفواللكاثودايتكون من الخارصين اما االنود

الحاوية على KOHعبارة عن عجينة من االلكتروليتيةالمادة

Hgoاوكسيد الزئبق

تفاعالتها

-2e+Zn+ 2OHاالنود → ZnO + H2O

→ 2eالكاثود Hg + 2OH-HgO + H2O+

→ HgOالتفاعلل العام ZnO +Hg Zn+

(البطارية الجافة )

خلية تستخدم في اجهزة الراديو والمسجل والحاسبة مثل•النور العراقية وتتكون من

من فيتكونلكاثوديتكون من اناء الخارصين اما ااالنودقضيب من الكرافيت

ن كلوريد وهي عبارة عن عجينة تتكون مااللكتروليتيةالمادةغنيز الخارصين وكلوريد االمونيوم وثنائي اوكسيد المن

ومسحوق الكاربون وقليل من الماء توضع في اناء الخارصين

ان التفريغ التفاعالت معقدة وتعتمد على سرعة التفريغ فاذا كبطئ تحصل التفاعالت التالية

108

Zn + 2MnO ZnMn O22 4

العام التفاعل

2MnO + Zn + 2e ZnMn O22 4

++

(اختزال ) الكاثودعند

-

Zn Zn + 2e++

(تاكسد) االنودعند

-

قضيب كربون

الكاثود

علبة خارصيناالنود

معجون من

MnO

ZnClو22

(البطارية الجافة )خلية الجافة ال

يةنضيدة الخزن الرصاص

عراقية تستعمل في تشغيل السيارة مثل نضيدة بابل ال

عضها وتتكون بطارية السيارة من ست خاليا متصلة مع ب

لخلية اكاثودخلية باالنود للعلى التوالي بحيث يتصل

ه فولت فيكون مجموع ما تنتج2األخرى، وتنتج كل خلية

يةنضيدة الخزن الرصاصتألف تفولت12البطارية كاملة

تمتلئ به (Pb)اسفنجيمن رصاص االنودبينطمن ق

عبارة عن ثنائي الكاثودالصفائح الشبكية الرصاصية

ة تمتلئ به الصفائح الشبكي(PbO2)اوكسيد الرصاص

الرصاصية

ثافته المحلول االلكتروليتي هو محلول حامض الكبريتيك ك

1.3gm/ml-1.2عند شحن النضيدة تتراوح بين

يكنتيجة االستعمال يستهلك جزء من حامض الكبريت•

Pb + PbO + 2HSO + 2H 2PbSO + 2H O22 4

+

4

_التفاعل الكلي

(تاكسد) االنودعند ا

(اختزال ) كاثودعند ال

Pb + HSO PbSO + 2e + H4

+

4

_-

PbO + HSO + 3H + 2e PbSO + 2H O22 4

+

4

_ -

خلية الوقود

نة ابولوتستعمل هذه الخلية في السفن الفضائية مثل سفي

ة كهربائية تستخدم الوقود بتحويل تفاعله مباشرة الى طاق

. 2ية دون اللجوء الى تحويله الى حرارية ثم الى كهربائ

% 75ماء و% 25تعمل في وسط قاعدي مؤلف من

م 200تعمل عند درجة . 3هيدروكسيد البوتاسيوم

غير قابلة .4للمحافظة على سيولة المادة االلكتروليتية

د يستعمل فيها غاز سهل االكسدة على االنو. 5للشحن

وغاز االوكسجين على الكاثودH2مثل غاز

تفاعالت خلية الوقود

-2e +H2+ 2OHاالنود• → 2H2O

1/2الكاثود • O2+ H2O +2e → 2OH-

H2+ 1/2التفاعل العام • O2- → H2O

حيث يكثف بخار الماء الناتج ويضاف الى خزان ماء •

الشرب لرواد الفضاء في السفينة

OH22

KOH

محلول

الكاثود(اختزال)

االنود(اكسدة)

1.23V

117

ةالخاليا االنعكاسية وغير االنعكاسي

دجهانتاجعلىقادرةغيرالخليةتصبحعندما

أنيعنيوهذا،ميتةخليةبأنهاعنهايقالكهربي

يائكهربالالتيارتولدالتيالكيميائيةالتفاعالت

فيو،االتزانحالةإلىوصلتأوانتهتقدتكون

أوتوليدهااعادةالممكنمنيكونالخاليابعض

دانيالخليةفيالحالهوكما،شحنهااعادة

عليهاأثيربالتوذلكمثال االنعكاسيةالخالياوتسمى

تجاهاوفيالخليةجهدمنقليال أعلىخارجيبجهد

.معاكس

ذالدانيالخليةشحناعادةالممكنمنالنهونظرا

القوةهذهقتطبيفعند.المنعكسةبالخليةتسمىفإنها

يتأكسدفالخليةفيالكيميائيةالتفاعالتتنعكس

.فيترسبالخارصينويختزل،ويذوبالنحاس

هلكتاستالتيالموادجميعتوليداعادةيمكنوبذلك

.ةالخليفييتمالذيالتلقائيالتفاعلأثناء

الخاليا االنعكاسية

فيهايةالكيميائالتفاعالتفإنالجافةالبطاريةأما

،فيهايةالكيميائالتفاعالتعكسيمكنوالتنتهي

منالنوعهذافيالتيارتوليديمكنالفإنهلذا

الخاليامنالنوعهذاعنيقاللذلك،الخاليا

.المنعكسةغيربالخاليا

االنعكاسيةالغير الخاليا

كيف تكون الحياة..... تصوروادون بطاريات ؟