دراسة عمليات الأكسدة والاختزال التي تتحول من خلالها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وبالعكس.

نأتيكم بسؤال جديد يحمل إجابة نموذجية جديدة من كتاب الكيمياء للصف الثالث ثانوي، الفصل الدراسي الثاني، حيث كان يقول هذا السؤال: دراسة عمليات الأكسدة والاختزال التي تتحول من خلالها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وبالعكس. لمعرفة الإجابة المميزة لهذا السؤال، تابعونا.

دراسة عمليات الأكسدة والاختزال التي تتحول من خلالها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وبالعكس.

الإجابة الصحيحة، وهي: ” الكيمياء الكهربائية” لأنها عبارة عن دراسة عمليات الأكسدة والاختزال التي تتحول من خلالها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وبالعكس.

الخلايا الجلفانية Voltaic Cells

• تحدث الأكسدة في الخلايا الجلفانية عند الأنود (المصعد) منتجة إلكترونات تتدفق نحو الكاثود (المهبط) حيث يحدث الاختزال.
• الربط مع الحياة إذا تم قص ورقة نقدية من فئة الريال نصفين، فما الذي يمكن عمله بأحد النصفين؟ لا يمكن استعماله من دون النصف الآخر.
• وهذا ينطبق أيضًا على الخلايا الجلفانية التي تتكون من نصفي خلية؛ إذ يجب وجودهما معاً لإنتاج الطاقة.

الأكسدة والاختزال في الكيمياء الكهربائية Redox in Electrochemistry

• الكيمياء الكهربائية هي دراسة عمليات الأكسدة والاختزال التي تتحول من خلالها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، وبالعكس.
• من المعروف أن تفاعلات الأكسدة والاختزال جميعها تتضمن انتقال الإلكترونات من المواد المتأكسدة إلى المواد المختزلة.
• ويوضح كل من الشكلين 1-5 و 2-5 تفاعلاً بسيطاً للأكسدة والاختزال.
• حيث تتأكسد ذرات الخارصين لتكون أيونات الخارصين +Zn².
• ويكتسب أيون النحاس +Cu² الإلكترونين اللذين فقدتهما ذرة خارصين ليكون ذرة النحاس.
• وتبين المعادلة الأيونية الكلية الآتية انتقال الإلكترونات:
• Zn+Cu➡️zn2+Cu

أنصاف التفاعل

أنصاف التفاعل يتألف هذا التفاعل من نصفي تفاعل الأكسدة والاختزال الآتيين:

• نصف تفاعل الأكسدة: فقدان الإلكترونات
• Zn➡️Zn²+2e.
• نصف تفاعل الاختزال: اكتساب الإلكترونات
• Cu + 2e➡️cu
• تری، ماذا يحدث لو فصل نصف تفاعل الأكسدة عن نصف تفاعل الاختزال؟
• وهل يمكن أن يحدث التفاعل؟ مع الأخذ في الاعتبار الشكل 1a-5 الذي غُمست فيه شريحة الخارصين في محلول كبريتات الخارصين، وغُمست فيه شريحة النحاس في محلول كبريتات النحاس.
• هناك مشكلتان تمنعان حدوث تفاعل الأكسدة والاختزال:
• الأولى أنه لا يوجد أي طريق لنقل الإلكترونات من ذرات الخارصين إلى أيونات النحاس.
• وهذه يمكن حلها بتوصيل شريحتي الخارصين والنحاس بأسلاك معدنية، كما في الشكل 5-1b.
• إذ يعمل السلك عمل ممر لتدفق الإلكترونات من الخارصين إلى النحاس.
• أما الثانية فعندما توضع الشرائح المعدنية في محاليلها تبدأ الأكسدة عند الخارصين، في حين يبدأ الاختزال عند النحاس.
• إلا أن هذه التفاعلات لا تستمر؛ لأن أيونات الخارصين الموجبة تتراكم حول قطب الخارصين خلال تأكسدہ، کما تتراكم أيونات الكبريتات السالبة حول قطب النحاس خلال اختزاله.
• وهذا التراكم للأيونات يوقف أي استمرار للتفاعل.
• ولحل هذه المشكلة تستعمل القنطرة الملحية؛ وهي ممر لتدفق الأيونات من جهة إلى أخرى، كما في الشكل 2 – 5.
• وتتكون من أنبوب يحتوي على محلول موصل للتيار الكهربائي (محلول إلكتروليتي) لملح ذائب في الماء مثل KCI.
• ويحفظ داخل الأنبوب بواسطة جل هلامي أو أي غطاء يسمح للأيونات بالحركة من خلاله، على ألا يختلط المحلولان في الكأسين.
• وعندما يوضع السلك المعدني والقنطرة الملحية في مكانيهما يبدأ تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي.
• وتنتقل الإلكترونات عبر السلك من نصف تفاعل الأكسدة إلى نصف تفاعل الاختزال.
• في حين تنتقل الأيونات السالبة والموجبة خلال القنطرة الملحية.
• ويسمى تدفق الأجسام المشحونة التيار الكهربائي.
• ففي الشكل 2-5 تتدفق الإلكترونات خلال السلك، وتتدفق الأيونات خلال القنطرة الملحية، فيتكون ما يعرف بالتيار الكهربائي.
• وتنتج طاقة تدفع الإلكترونات لإضاءة المصابيح.

الخلايا الكهروكيميائية

• الخلايا الكهروكيميائية يبين الشكل 2-5 نوعاً من الخلايا الكهروكيميائية يعرف بالخلايا الجلفانية.
• والخلية الكهروكيميائية جهاز يستعمل تفاعل الأكسدة والاختزال لإنتاج طاقة كهربائية، أو يستعمل الطاقة الكهربائية لإحداث تفاعل كيميائي.
• والخلية الجلفانية نوع من الخلايا الكهروكيميائية التي تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية بواسطة تفاعل الأكسدة والاختزال التلقائي.
• وقد سميت أيضا الخلايا الفولتية نسبة إلى أليساندرو فولتا Alessandro Volta (1827 – 1745م) العالم الفيزيائي الإيطالي الذي نُسب إليه الاختراع عام 1800م، انظر الشكل 3-5.

وفي ختام هذا الموضوع الشيق، وبعد أن تحدثت عن إجابة سؤال: دراسة عمليات الأكسدة والاختزال التي تتحول من خلالها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وبالعكس. وكان هذا عبر موقع اعرفها صح، لنشر المحتوى العربي، ومشاركة حلول الأسئلة المتعلقة بالمناهج السعودية، فإننا نتمنى لكم الوصول إلى أعلى مراتب النجاح، والتميز بإذن الله تعالى.