مقـرر الكيمـيـاء التحليـليـة (2)

الكيميــاء الكهربيــة

Electrochemistry
الكيميـاء الكهربيـة هو فرع الكيمياء الذي يهتم بدراسة التأثيرات الكهربائية للتفاعلات الكيميائية .

عمليـات التأكد والاختزال Oxidation – Reduction Processes

في تفاعلات التأكد والاختزال ( redox reactions ) يتحول أحد المتفاعلات إلى حالة تأكسد أعلى وبالتالي فهو يتأكسد " عامل مختزل " بينما يحدث نقص في حالة التأكسد بالنسبة للمتفاعل الآخر ، وبالتالي فهو يختزل "عامل مؤكسد" .

نصف التفاعـل Half – Reaction

لتوضيح التغيرات التي تطرأ أثناء تفاعلات التأكسد والاختزال . يمكن تقسيم تفاعل التأكسد والاختزال إلى نصفي تفاعل . فمثلاً يمكن الحصول على التفاعل التالي :

بعد وزن كل معادلة نصف تفاعل على حدها ثم المساواة بين عدد الإلكترونات المفقودة وعدد الإلكترونات الكتسبة .

الخلايا الكهروكيميائية Electrochemical Celss

الخلية الكهروكيميائية ( electrochemical cell ) هي عبارة عن نظام (System) يتكون من قطبين مغمورين في الكتروليت ( electrolyte) والتي فيها إما أن يتم إنتاج تيار كهربائي نتيجة لتغيير كيميائي أو أن يتم تغيير كيميائي بواسطة تيار كهربائي . تصنف الخلايا الكهروكيمائية إلى خلايا جلفانية وخلايا الكتروليتية .

الخليــة الجلفانيـة Galvanic Cell

الخلية الجلفانية هي خلية كهروكيميائية تنتج تيار كهربائي من تفاعلات كيميائية

الخلية الالكتروليتية Electrolytic Cell

الخلية الالتكتروليتية هي خلية كهروكيمائية تستهلك طاقة كهربائية لإحداث تفاعلات كيميائية تلقائية .
عندما يغمر فلز ما ( M ) في أحد محاليل أيوناته( M+ ) فإن ذرات ذلك الفلز سوف تتأيّن وتنتقل الأيونات الناتجة إلى المحلول تاركة ورائها الإلكترونات على سطح الفلز ، أما أيونات الفلز الموجودة في المحلول سوف تتحد مع الإلكترونات الناتجة عن تأين ذرات الفلز ( M ) . وتستمر هذه العملية حتى يحدث اتزان بين ذرات الفلز ( M ) وأيوناته ( M+ ). والاتزان

والاتزان بين ذرات الفلزM ) ( وأيوناته ( M+ ) يؤدي إلى شحن الفلز ( M ) إما بشحنة كهربائية موجبة ( positive charge) أو بشحنة كهربائية سالبة ( negative charge ) وهذه الشحنات سوف تمنع استمرارية نصف التفاعل ما لم تفرغ باستمرار .
تتكون الخلية الفولتية ( votatic cell ) أو الخلية الجلفانية ( Galvanic cell ) من نصفي خلية ( two half –cells) متصلين مع بعضهما كهربائياً . وكل نصف خلية تمثل جزء من الخلية ويحدث فيه نصف تفاعل الخلية .
يتكون النصف الأيسر للخلية ( Left half – cell) من شريط من فلز الخارصين ( Zinc strip) مغمور في محلول كبريتات الخارصين 2nSo ويحدث فيه الاتزان التالي :

ويتكون نصف الخلية الأيمن ( right half cell) من شريط من فلز النحاس مغمور في محلول كبريتات النحاس ( II ) CuSOu ويحدث فيه الاتزان التالي :

ويتصل نصفي الخلية مع بعضهما كهربائياً بواسطة قنطرة ملحية ( Salt bridge) التي تسمح بمرور الأيونات الموجبة والسالبة وتحول دون امتزاج المحلولين وبالتالي عدم حدوث تفاعل كيميائي مباشر بين أيونات النحاس (cu2+) وفلز الخارصين (Zn) الذي يمنع حدوث تفاعل نصف الخلية . وتحتوي القنطرة الملحية على محلول مشبع بكلوريد البوتاسيوم ( Saturated solution of KCI ) .

التوصيل في الخلية الكهروكيميائية

Conduction In An Electrochemical Cell : ينتقل التيار في الخلية الجلفانية خلال ثلاث عمليات مميزة بواسطة كل من قطبي النحاس والخارصين بالإضافة إلى الموصل الخارجي وهـي :
1- حركة الإلكترونات من الخارصين إلى النحاس عن طريق الموصل الخارجي
2- حركة الأيونات السالبة والموجبة بين المحلولين حيث تنتقل الأيونات الموجبة من قطب الخارصين إلى قطب النحاس عبر القنطرة الملحية والأيونات السالبة في الاتجاه المعاكس وجميع الأيونات الموجودة تشارك في عملية انسياب التيار .
3- حدوث عمليات تأكسد واختزال على سطح كل من القطبين .
كيفية عمل الخليـة :-
بما أن فلز الخارصين ( Zn ) له ميول لفقدان الإلكترونات أكثر من ميول فلز النحاس فإن قطب الخارصين يأخذ "يكتسب" شحنة كهربائية سالبة مقارنة بقطب النحاس
عند توصيل القطبين بواسطة سلك معدني ( metallic wire) فإن الإلكترونات سوف تنتقل عبر السلك من الخارصين إلى النحاس .
أما في داخل المحلول فتنتقل كل من الأيونات الموجبة والأيونات السالبة عبر القنطرة الملحية حيث تنتقل الأيونات الموجبة إلى أحد القطبين بينما تنتقل الأيونات السالبة في الاتجاه المعاكس- وهذه العمليات تؤدي إلى ترسيب جميع الأيونات الموجودة في المحلولين ويتم حدوث التفاعلات التالية على القطبين :-
تفاعل الأنود Anodic Reaction
يحدث في الأنود تفاعل أكسدة

تفاعل الكاثود Cathodic Reaction
تحدث في الكاثود ( cathode) عملية اختزال