بيت معلمي الكيمياء

1. تربية وتعليم Chemistry بسم الله الرحمن الرحيم بيت معلمي الكيمياء

2. نحو أداءٍ تدريسي متميز مثمر الخلايا الجلفانية إعداد : AhMED REZK

3. الهدف من اللقاء تدارس موضوع الخلايا الكهروكيميائية والالمام بجوانبه ، عن طريق المناقشة والحوار وتبادل الخبرات . خاصة وهو الموضوع الشائك بالنسبة إلى طلاب الصف الثالث ثانوي في مقرري الكيمياء والفيزياء.

4. تصوروا..... كيف تكون الحياة دون بطاريات ؟

5. بلا شك سيكون هناك الكثير من المعاناة........!

6. نحو أداءٍ تدريسي متميز مثمر

7. نحو أداءٍ تدريسي متميز مثمر

8. لماذا هذا الموضوع ؟ أيها الكرام إن أهمية الموضوع الذي اجتمعنا لمناقشته اليوم نابع من أهمية هذه الخلايا التي ساهمت بشكل فاعل إلى وصول الحضارة المادية إلى ما وصلت إليه . فالخلايا الكهروكيميائية اليوم تعتبر من أهم مصادر الطاقة ( البسيطة ) والتي تستخدم في بيوتنا ومصانعنا وآلاتنا المختلفة .

9. أنواع الخلايا الجلفانية ( الكهروكيميائية ) عمود فولتا خلية لاكلانشيه 1- البطاريات الجافة الخلية القلوية خلية أكسيد الزئبق

10. أنواع الخلايا الجلفانية ( الكهروكيميائية ) خلية دانيال 2- البطاريات السائلة . المركم الرصاصي 3- خلايا الوقود .

11. المحطة الأولى

12. بداية القصة في عام 1786م لاحظ جلفاني ارتعاش أطراف الضفدع عند لمس عضلاته بمعدنين مختلفين .

13. أول خلية كهر وكيميائية كان لفولتا السبق في صناعة أول بطارية عرفها التاريخ في حوالي عام 1800م.

14. العلاقة بين المادة والكهرباء أكد فارادي في عام 1825م عن طريق تجاربه في التحليل الكهربي ، العلاقة بين التغير الكيميائي والطاقة الكهربائية .

15. نحو أداءٍ تدريسي متميز مثمر ولكن أي نوع من التفاعلات الكيميائية ذلك الذي يمكن أن ينتج طاقة كهربائية ؟ إنها بالتأكيد تفاعلات الأكسدة والاختزال .

16. تفاعلات الأكسدة والاختزال تفاعلات الأكسدة والاختزال هي : التفاعلات التي يحدث فيهـــا انتقال للإلكترونـات من ذرة إلى أخرى بحيث يحدث تغيير في عدد أكسدة العناصر.

17. 2Na + Cl 2NaCl 2 + - Na Na + 1e مثال لتفاعل أكسدة واختزال أكسدة - - Cl + 1e Cl اختزال 1/2 2

18. - ++ Zn - 2e Zn - ++ Zn Zn + 2e الأكسدة الأكسدة : عملية فقدان ذرة العنصر لإلكترون أو أكثر ، وينتج عنه زيادة في عدد الأكسدة للعنصر. مثال

19. - ++ Cu + 2e Cu الاختزال الاختزال : عملية اكتساب ذرة العنصر لإلكترون أو أكثر ، وينتج عنه نقصان في عدد أكسدة العنصر. مثال

20. علاقة عمليتي الأكسدة والاختزال بعدد الأكسدة اتجاه نقصان عدد الأكسدة ( اختزال ) ....... ، -3 ، -2 ، -1 ، صفر ، +1 ، +2 ، +3 ....... اتجاه ازدياد عدد الأكسدة ( أكسدة )

21. ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu عملية الأكسدة والاختزال عمليتان متلازمتان بمعنى أنه عند حدوث عملية أكسدة لابد من حدوث عملية اختزال بحيث يشكل كل منهما نصف تفاعل مكمل للأخر وبجمعهما نحصل على التفاعل الكلي فعلى سبيل المثال يمكن جمع نصفي التفاعل السابقين لنحصل على تفاعل الأكسدة والاختزال أعلاه .

22. ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu العامل المؤكسد والعامل المختزل العامل المؤكسد : المادة التي تختزل وتؤكسد غيرها أي المادة التي ينقص عدد اكسدتها في التفاعل . العامل المختزل : المادة التي تتأكسد وتختزل غيرها أي المادة التي يزداد عدد اكسدتها في التفاعل . عامل مؤكسد عامل مختزل

23. المحطة الثانية

24. لماذا ؟ بـالـرغـم من حـــدوث تفاعل اكسدة واختزال في هذا الكأس إلا اننا لا يمـكن أن نحصـــل منه على تيار كهربي في هذه الحالة.

25. انتقال الالكترونات عبر الدائرة القصيرة إن سبب عدم حصولنا على تيار كهربي في هذه الحالة يرجع إلى أن الالكترونات تنتقل مباشرة من فلز الخارصين إلى أيونات النحاس عبر ما يعرف بالدائرة القصيرة ، ولحل هذه المشكلة لابد من فصل نصفي التفاعل باستخدام غشاء شبه منفذ أو في كأسين مختلفين بحيث نجعل الالكترونات تسري عبر سلك معدني .

26. Zn Zn + 2e ++ Cu + 2e Cu ++ Zn Cu المهبط المصعد (اكسدة) (اختزال) ++ ++ Zn Cu ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu انتقال الالكترونات عبر سلك معدني

27. العملية الكهروكيميائية هي عملية الحصول على تيار كهربي من تفاعل كيميائي أكسدة واختزال . ويعرف الجهاز الذي تتم فيه هذه العملية بالخلية الكهروكيميائية ( الجلفانية ).

28. من أشهر الخلايا الكهروكيميائية خلية دانيال والتي تتألف من قضيب من النحاس مغموس في كأس يحتوي على محلول كبريتات النحاس ، وقضيب من الخارصين مغموس في كأس يحتوي على محلول كبريتات الخارصين ، ويصل بين القضيبين سلك معدني يمر عبر جهاز للكشف عن التيار الكهربي ، ويصل بين المحلولين ما يعرف بالجسر الملحي لاكمال الدائرة الكهربية .

29. Cu + 2e Cu ++ Zn Zn + 2e ++ - + المهبط المصعد (اكسدة) (اختزال) ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu

30. تركيب الخلية الجلفانية 1- تتألف الخلية الكهروكيميائية من قطبين يتم في أحدهما تفاعل أكسدة وفي الأخر تفاعل اختزال . 2- يحدث التفاعل في الخلية الجلفانية تلقائياً . 3- يعرف القطب الذي يتم فيه نصف تفاعل الأكسدة بالمصعد ، والقطب الذي يتم فيه نصف تفاعل الاختزال بالمهبط .

31. تابع تركيب الخلية الجلفانية 4- بجمع نصفي التفاعل اللذان يحدثان في القطبين نحصل على التفاعل الكلي الذي يتم في الخلية . 5- تتجه الالكترونات في الخلية من المصعد حيث تتولد الالكترونات إلى المهبط حيث تستهلك الالكترونات عبر سلك معدني يصل بين قضيبين معدنيين ويمر السلك بجهاز للكشف عن التيار.

32. تابع تركيب الخلية الجلفانية 6- يصل بين المحلولين في الخلية جسر ملحي وهو عبارة عن انبوب يحتوي على الكتروليت قوي لاكمال الدائرة الكهربية وللسماح بانتقال الأيونات من وإلى المحلولين . لماذا ....... الجسر الملحي ؟

33. من شروط التوصيل الكهربي في المحاليل المائية . تشكل حركة الأيونات في المحلول في اتجاهين متضادين التيار الكهربي وسوف يقف التيار إذا تجمعت الأيونات الموجبة عند القطب السالب والأيونات السالبة عند القطب الموجب ، ولكي يستمر التيار الكهربي فإن تفاعلات كيميائية معينة يجب أن تحدث عند القطبين لكي تبقي على التعادل الكهربي في كل أجزاء المحلول.

34. وظيفة القنطرة الملحية في خلية دانيال نلاحظ أنه : باستمرار حدوث التفاعلين اللذان يتمان في الخلية تزداد أيونات الخارصين في المصعد بينما تزداد أيونات الكبريتات في المهبط ، وهذا يسبب اختلال التعادل الكهربي في المحلولين .

35. وظيفة القنطرة الملحية لذا تتحرك الأيونات في محلول القطبين عبر القنطرة الملحية ، فأيونات الخارصين ( Zn ) الزائدة الموجودة في المصعد تتعادل مع أيونات النترات (NO3 ) التي تخرج من القنطرة الملحية . ++ _

36. وظيفة القنطرة الملحية + وهذا يؤدي إلى زيادة أيونات البوتاسيوم ( K ) في القنطرة الملحية ، فماذا يحدث ؟ إن ما يحدث هو أن بعضاً من أيونات البوتاسيوم تترك القنطرة الملحية وتهاجر إلى المحلول المكون للمهبط فتتعادل مع أيونات الكبريتات(SO4 ) وبعض أيونات الكبريتات تدخل القنطرة الملحية وتعادل أيونات البوتاسيوم . =

37. وظيفة القنطرة الملحية وعلى هذا فإن القنطرة الملحية تعتبر مخزناً للأيونات الموجبة والسالبة ووسيلة لانتقال الأيونات من أحد القطبين إلى الأخر لغرض الحفاظ على حالة التعادل الكهربي في المحلولين والذي يعتبر شرطاً أساسياً لاستمرار سريان التيار الكهربي .

38. المحطة الثالثة

39. جهد القطب ( E ) جهد القطب هو : الجهد الكهربي الناشئ عن تفاعل الأكسدة والاختزال الذي يتم في القطب . ويكون هذا الجهد الكهربي ، جهد أكسدة في حالة حدوث تفاعل الأكسدة وجهد اختزال في تفاعل الاختزال ، وقيمة هذين الجهدين للقطب الواحد متساوية مع اختلاف الإشارة .

40. اكسدة ذوبان اختزال ترسب - Zn=Zn + 2e ++ قطب الخارصين

41. اختزال أكسدة ترسب ذوبان - ++ Cu + 2e = Cu قطب النحاس

42. اختزال H 2 تكون الغاز اكسدة ذوبان الغاز - + 2H + 2 e= H 2 قطب الهيدروجين

43. فرق جهد الخلية الكهروكيميائية ( E ) هل يمكن قياس الجهد الكهربي في الأقطاب المنفردة ؟ جهد القطب قيمة فيزيائية مطلقة لا يمكن قياسها للقطب الواحد ، ولكن إذا تم توصيل قطبين ببعضهما فبالإمكان قياس فرق الجهد بين القطبين . يعرف فرق الجهد هذا بفرق جهد الخلية الكهروكيميائية الذي يمكن أن نرمز له بالحرف E أيضاًً ( جهد الخلية ).

44. فرق الجهد في خلية دانيال يساوي 1.1 فولت عند ظروف معينة .

45. العوامل المؤثرة في قيمة فرق جهد الخلية 1- طبيعة المواد ( نوع الأقطاب المكونة للخلية ) . 2- تركيز المحاليل في الخلية . 3- ضغط الغاز في حالة وجوده . 4- درجة الحرارة .

46. أولاً : طبيعة المواد ( نوع الأقطاب المكونة للخلية ) بلا شك تختلف المواد في قابليتها للتفاعل الكيميائي سواءً أكسدة أو اختزال ، وفرق جهد الخلية الكهروكيميائية يعتمد على قوة نصفي التفاعل اللذان يتمان في الخلية ، فكلما ازدادت قابلية مادة المصعد لعملية الأكسدة وقابلية مادة المهبط لعملية الاختزال زاد فرق جهد الخلية لذا فإننا نجد تفاوتاً في قيمة فرق الجهد الناتج باختلاف نوع الأقطاب المكونة للخلية.

47. ++ Cu + 2e Cu ++ Zn Zn + 2e المهبط المصعد (اكسدة) (اختزال) ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu 1.1 V

48. ++ Cu Cu + 2e 2Ag + 2e 2Ag + المهبط المصعد (اكسدة) (اختزال) ++ + 2Ag + Cu 2 Ag + Cu 0.46 V

49. ثانياً: تركيز المحاليل في الخلية تتأثر قيمة فرق جهد الخلية الكهروكيميائية بتركيز المحلولين الموجودين في القطبين ، وهذا أمر واضح فكما عرفنا فإن الجهد المتولد في الخلية يعتمد عل قوة تفاعل الأكسدة و الاختزال اللذان يتمان في الخلية ، وقوة نصفي التفاعل بدورهما يتأثران بتركيز المحلولين المكونين للخلية .

50. ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu اتجاه انتاج الجهد الكهربي ويمكن توضيح هذا الأثر بشكل أكبر من خلال مبدأ لوشاتلييه فلو طبقنا هذا المبدأ على التفاعل الكلي الذي يتم في خلية دانيال نلاحظ أنه بزيادة تركيز أيونات Zn في المصعد فإن التفاعل يتجه في الاتجاه العكسي أي في الاتجاه الذي يقل فيه الجهد الكهربي الناتج وكذلك في حال نقصان تركيز أيونات النحاس Cu الموجودة في المهبط . ++ ++