Ce diaporama a bien été signalé.
Nous utilisons votre profil LinkedIn et vos données d’activité pour vous proposer des publicités personnalisées et pertinentes. Vous pouvez changer vos préférences de publicités à tout moment.

Final electrochemistry

662 vues

Publié le

ELECTROCHEMISTRY BY LOUTFY MADKOUR

Publié dans : Sciences
  • Soyez le premier à commenter

Final electrochemistry

  1. 1. بداية القصة حول اكتشاف الخلايا الكهربائية في عام 1786 م لاحظ كلفاني ارتعاش أطراف الضفدع عند لمس عضلاته بمعدنين مختلفين .
  2. 2. أول خلية كهر وكيميائية كان لفولتا السبق في صناعة أول بطارية عرفها التاريخ في حوالي عام 1800 م.
  3. 3. العلاقة بين التغير الكيميائي والطاقة الكهربائية أكد فارادي في عام 1825 م عن طريق تجاربه في التحليل الكهربائية العلاقة بين التغير الكيميائي والطاقة الكهربائية .
  4. 4. الكيمياء الكهربائية • الكيمياء الكهربائية هي احد فروع علم الكيمياء يهتم بدراسة التفاعلات الكهروكيميائية • التيار الكهربائي هو الشحنات المنتقلة خلال وسيط ناقل مثل انتقال الالكترونات خلال سلك موصل او انتقال الايونات في محلول الكتروليتي ويقاس بالامبير • الكولوم وهو وحدة قياس الشحنة الكهربائية ويعادل كمية الشحنة 1018 الكترون. x الموجودة 6.25 • الامبير وحدة قياس شدة او مقدار التيار الكهربائي الذي يسببه مرور كولوم واحد خلال وسيط ناقل خلال ثانية واحدة . • الفولت وحدة قياس الجهد ويمثل فرق الجهد الذي يسببه مرور تيار شدته امبير خلال وسيط ناقل مقاومته آوم واحد
  5. 5. ماهي التفاعلات الكهروكيمائية وعي التفاعلات التي التي تنتج اوتستهلك طاقة وتكون على نوعين :- • تفاعلات مولدة للطاقة الكهربائية وهي التفاعلات التي ينتج ΔE تكون سالبة و ΔG عنها طاقة كهربائية وتكون تلقائية أي ان تكون موجبة وهي التفاعلات تحدث في الخلايا الكلفانية )الفولتائية( • تفاعلات مستهلكة للطاقة الكهربائية وهي التفاعلات التي تكون موجبة و ΔG تستهلك طاقة كهربائية وتكون لاتلقائية أي ان تكون سالبة وهي التفاعلات تحدث في الخلايا الالكتروليتية أي ΔE خلايا التحلل الكهربائي.مثل خلايا الطلاء الكهربائي
  6. 6. ماهي الخلية ؟و وما هو الانود؟ وما هو الكاثود؟ • الخلية جهاز كهربائي ناتج عن ربط قطبين يسري بينهما تيار كهربائي وهي على توعين كما قلنا الخلايا الكلفانية )الفولتائية( والخلايا الالكتروليتية • اما الانود هو مصدر الالكترونات وتحدث عنده عملية التاكسد • اما الكاثود هو مستورد الالكترونات وتحدث عنده عملية الاختزال
  7. 7. ولكن أي نوع من التفاعلات الكيميائية ذلك الذي يمكن أن ينتج طاقة كهربائية ؟ إنها بالتأكيد تفاعلات الأكسدة والاختزال .
  8. 8. تفاعلات الأكسدة والاختزال تفاعلات الأكسدة والاختزال هي : التفاعلات التي يحدث فيهـــا انتقال للإلكترونـات من ذرة إلى أخرى بحيث يحدث تغيير في العدد التاكسدي للعناصر.
  9. 9. الأكسدة الأكسدة : عملية فقدان ذرة العنصر لإلكترون أو أكثر ، وينتج عنه زيادة في عدد الأكسدة للعنصر. مثال - ++ Zn - 2e Zn ++ - Zn Zn + 2e
  10. 10. الاختزال الاختزال : عملية اكتساب ذرة العنصر لإلكترون أو أكثر ، وينتج عنه نقصان في عدد أكسدة العنصر. مثال ++ - Cu + 2e Cu
  11. 11. علاقة عمليتي الأكسدة والاختزال بعدد الأكسدة اتجاه نقصان عدد الأكسدة ) اختزال ( ....... 3+ ، 2+ ، 1- ، صفر ، + 1 ، 2- ، 3- ، ....... اتجاه ازدياد عدد الأكسدة ) أكسدة (
  12. 12. ++ ++ 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 .
  13. 13. لكن ماهوالعامل المؤكسد وماهو العامل 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 . ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu عامل مؤكسد عامل مختزل
  14. 14. لماذا ؟ بـالـرغـم من حـــدوث تفاعل اكسدة واختزال في هذا الكأس إلا اننا لا يمـكن أن نحصـــل منه على تيار كهربائي في هذه الحالة.
  15. 15. 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)مسامي( أو في كأسين مختلفين بحيث نجعل الالكترونات تسري عبر سلك معدني .
  16. 16. انتقال الالكترونات عبر سلك معدني Cu + 2e Cu ++ Zn Zn + 2e ++ ++ ++ Zn Cu Cu ++ ++ االكاثود )اختزال( الانود )اكسدة( Zn Zn + Cu Zn + Cu
  17. 17. انواع الخلايا الكهربائية 1 الخلية الكلفانية -1 تتألف الخلية الكلفانية من قطبين يتم في أحدهما تفاعل أكسدة وفي الأخر تفاعل اختزال . -2 يحدث التفاعل في الخلية الكلفانية تلقائي ا . -3 يعرف القطب الذي يتم فيه نصف تفاعل الأكسدة بالانود ، القطب الذي يتم فيه نصف تفاعل الاختزال بالكاثود .
  18. 18. تركيب الخلية الكلفانية -4 بجمع نصفي التفاعل اللذان يحدثان في القطبين نحصل على التفاعل الكلي الذي يتم في الخلية . -5 تتجه الالكترونات في الخلية من الانود حيث تتولد الالكترونات إلى الكاثود حيث تستهلك الالكترونات عبر سلك معدني يصل بين قطبين معدنيين ويمر السلك بالفولتميتر للكشف عن التيار.
  19. 19. -6 يصل بين المحلولين في الخلية جسر ملحي وهو عبارة عن انبوب يحتوي على الكتروليت قوي مثل KCl, NaCl, K2SO4 لايتغير كيميائيا اثناء عمل الخلية لماذا ....... الجسر الملحي ؟ لاكمال الدائرة الكهربائية وللسماح بانتقال الأيونات من وإلى المحلولين .
  20. 20. 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
  21. 21. وظيفة الجسرالملحي وعلى هذا فإن الجسرالملحي يعتبر مخزن ا للأيونات الموجبة والسالبة ووسيلة لانتقال الأيونات من أحد القطبين إلى الأخر لغرض الحفاظ على حالة التوازن الكهربائي في المحلولين والذي يعتبر شرط ا أساسي ا لاستمرار سريان التيار الكهربائي .
  22. 22. 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
  23. 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
  24. 24. ) E ( جهد القطب جهد القطب : هو الجهد الكهربائي الناشئ عن تفاعل الأكسدة والاختزال الذي يتم في القطب . ويكون هذا الجهد الكهربائي ، جهد أكسدة في حالة حدوث تفاعل الأكسدة وجهد اختزال في تفاعل الاختزال ، وقيمة هذين الجهدين للقطب الواحد متساوية مع اختلاف الإشارة .
  25. 25. 0 E جهد القطب القياسي وفرق جهد الخلية القياسي يعرف فرق جهد الخلية الكهروكيميائية عند الظروف القياسية بفرق جهد الخلية القياسي ، كما تعرف جهود الأقطاب عند هذه الظروف بجهود الأقطاب القياسية ، والظروف القياسية للخلايا هي : تركيز 1 مولار للمحاليل و ضغط جوي واحد للغازات عند 25 درجة مئوية .
  26. 26. كيفية تعيين جهود الأقطاب القياسية . فيكون فرق الجهد المسجل على الفولتميتر في الخلية مساوي ا لجهد القطب المجهول وذلك لان جهد قطب الهيدروجين يساوي صفر ، ويكون هذا الجهد المعين للقطب جهد أكسدة إذا كان التفاعل الذي يتم فيه تفاعل أكسدة ، وجهد اختزال إذا كان التفاعل الذي يتم في القطب تفاعل اختزال . وبهذه الطريقة تم تحديد الجهد الكهربائي لكل الأقطاب المعروفة . ورتبت في جدول كجهود أكسدة أو اختزال .
  27. 27. كيفية تعيين جهود الأقطاب القياسية . لا يوجد قطب معروف الجهد ، ولغرض تحديد جهود الأقطاب القياسية تم اختيار قطب الهيدروجين القياسي كقطب مرجع لقياس جهود الأقطاب الأخرى وتم الاتفاق على اعطاء قطب الهيدروجين القياسي جهد افتراضي يساوي الصفر ، وعليه فإذا أردنا تحديد جهد أي قطب ما علينا الا توصيله بقطب الهيدروجين عند الظروف القياسية .
  28. 28. 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 .
  29. 29. أولا : طبيعة المواد ) نوع الأقطاب المكونة للخلية ( بلا شك تختلف المواد في قابليتها للتفاعل الكيميائي سوا ء أكسدة أو اختزال ، وفرق جهد الخلية الكهروكيميائية يعتمد على قوة نصفي التفاعل اللذان يتمان في الخلية ، فكلما ازدادت قابلية مادة الانود لعملية الأكسدة وقابلية مادة الكاثود لعملية الاختزال زاد فرق جهد الخلية لذا فإننا نجد تفاوت ا في قيمة فرق الجهد الناتج باختلاف نوع الأقطاب المكونة للخلية.
  30. 30. ثاني ا : 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 .
  31. 31. قطب الهيدروجين القياسي يتألف قطب الهيدروجين القياسي من انبوبة زجاجية ذات فتحة جانبية يمر من خلالها تيار مستمر غاز الهيدروجين تحت ضغط جوي واحد عند 25 درجة مئوية .ويمتد داخل الانبوبة سلك بلاتيني ينتهي الى الاسفل بقطعة بلاتين مغطاة بالبلاتين الاسود وتكون تركيزه 1مولار ولقد تم HCl الانبوبة مغمورة في محلول حامض القياسي= صفر ويسلك كاثود تارة وانود تارة H اعتبار جهد قطب 2 اخرى حسب القطب الاخر المرتبط به في الخلية
  32. 32. ما السبب في استخدام سلك من البلاتين قطعة البلاتين الاسود في قطب الهيدروجين؟ 1. لقابلية قطعة البلاتين على امتزاز جزيئات غاز الهيدروجين. H 2. لان البلاتين اقل فعالية من غاز 2 لذلك لاتحصل له عملية تاكسد 3. لان البلاتين له القابلية على التوصيل الكهربائي في حين غير موصل للكهربائية.. H ان 2
  33. 33. 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 gas at 1 atm 34
  34. 34. قطب الهيدروجين القياسى H2 25 درجة مئوي 1مولار + 2H + 2 e = H2 1ضغط جوي
  35. 35. هل يمكن قياس الجهد الكهربائي 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 أيضا )ً ويسمى جهد الخلية E أن نرمز له بالحرف .) ) E ( فرق جهد الخلية الكهروكيميائية
  36. 36. السلسلة الكهروكيميائية السلسلة الكهروكيميائية عبارة عن جدول يضم جهود الأقطاب القياسية لكثير من العناصر والمواد مرتبة كجهود أكسدة أو اختزال تم تحديدها نسبة إلى قطب الهيدروجين القياسي .
  37. 37. العناصر والمواد ذات جهد القطب الموجب )التي تعلوا عنصر الهيدروجين في المتسلسلة( مواد ذات قابلية لعملية الاختزال )عوامل أكسدة( أما العناصر والمواد التي تقع أسفل عنصر الهيدروجين مواد ذات قابلية لعملية الأكسدة )عوامل اختزال(
  38. 38. كلما زادت قيمة جهد القطب ايجاب ا كلما زادت القابلية لعملية الاختزال وزادت القوة كعامل أكسدة والعكس صحيح ، فيكون العنصر الذي له أعلى قيمة موجبة ) الفلور ( أكثر المواد قابلية لعملية الاختزال وأقوى المواد كعامل أكسدة ،أما الليثيوم الذي له أصغر قيمة لجهد القطب فهو أكثر المواد قابلية للأكسدة وأقواها كعامل اختزال .
  39. 39. فكل عنصر أو مادة في المتسلسلة تستطيع أكسدة المادة التي تقع أسفل منه ، وكل عنصر يستطيع اختزال المادة التي تعلوه ، وعلى هذا فإن من أهم فوائد السلسلة الكهروكيميائية أننا نستطيع توقع ما إذا كان تفاعل ما يمكن أن يحدث تلقائي ا أم لا .
  40. 40. ++ Cu + 2e Cu 1ضغط جوي + H2 2H + 2 e االكاثود )اختزال( الانود )اكسدة( + 0.34 V جهد اختزال النحاس H2 1مولار 25 درجة مئوي
  41. 41. الانود )اكسدة( 0.76 V - جهد اختزال الخارصين الكاثود )اختزال( ++ Zn Zn + 2e + 2H + 2 e H2 H2 1مولار 25 درجة مئوية
  42. 42. المتسلسلة الكهروكيميائية 0 ) E ( ) القطب ( جهد الاختزال الفلور + 2.87 فولت الفضة + 0.80 فولت النحاس + 0.34 فولت الهيدروجين صفر الحديد - 0.44 فولت الخارصين - 0.76 فولت الليثيوم - 3.05 فولت تزداد القابلية للاختزال تزداد القوة كعامل أكسدة
  43. 43. 44
  44. 44. من أشهر الخلايا الكهروكيميائية خلية دانيال مثال على الخلايا الكلفانية والتي تتألف من قطب النحاس مغمور في اناء يحتوي على محلول كبريتات النحاس ، و قطب من الخارصين مغمور في اناء يحتوي على محلول كبريتات الخارصين ، ويصل بين القطبين سلك معدني يرتبط بالفولتميتير، ويصل بين المحلولين ما يعرف بالجسر الملحي لاكمال الدائرة الكهربائية .
  45. 45. Zn Zn + 2e ++ Cu + 2e Cu ++ ++ ++ الانود )اكسدة( خلية دانيال Zn + Cu Zn + Cu - + الكاثود )اختزال(
  46. 46. ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu اتجاه انتاج الجهد الكهربائي ويمكن توضيح هذا الأثر بشكل أكبر من خلال مبدأ قاعدة لي شاتلييه فلو طبقنا هذا المبدأ على التفاعل الكلي الذي Zn يتم في خلية دانيال نلاحظ أنه بزيادة تركيز أيونات في الانود فإن التفاعل يتجه في الاتجاه العكسي أي في الاتجاه الذي يقل فيه الجهد الكهربائي الناتج وكذلك في ++ الموجودة في Cu++ حال نقصان تركيز أيونات النحاس الكاثود .
  47. 47. فرق الجهد في خلية دانيال يساوي 1.1 فولت عند ظروف معينة .
  48. 48. الانود )اكسدة( 1.1 V الكاثود )اختزال( Cu ++ + 2e Cu ++ Zn Zn + 2e ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu
  49. 49. ++ Cu Cu + 2e 2Ag + 2e 2Ag + 0.46 V الكاثود )اختزال( + ++ الانود )اكسدة( 2Ag + Cu 2 Ag + Cu
  50. 50. ترميز ) تمثيل ( الخلايا الكلفانية كتابة الانود يكتب الطور الصلب اولا ومن ثم المحلول الالكتروليتي وتركيزه يوضع بين قوسين ويفصل بين الطورين خط عمودي Zn / ZnSO4(aq.,1M) كتابة الكاثود يكتب الطور الالكتروليتي وتركيزه اولا ومن ثم الطور الصلب ويفصل بين الطوؤين خط عمودي CuSO4(aq.,1M ) / Cu
  51. 51. التعبير عن الخلية • يكتب الانود على اليسار والكاثود الى اليمين بينهما جسر ملحي فيوضع بينهما ║ واذا كان خطين متوازيين عموديين وفي حالة وجود │ حاجز مسامي فيوضع خط عمودي واحد Zn/ZnSO4(aq.,1M) CuSO4(aq.,1M ) / Cu
  52. 52. حساب جهد الخلية الكهروكيميائية القياسي يمكن حساب جهد الخلية الكهروكيميائية القياسي من العلاقة : 0 0 0 E = E + E Cell An Ca )كاثود( )انود(
  53. 53. أمثلة ومسائل احسب جهد الخلية الكهروكيميائية الممثلة في التفاعل التالي : ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu ) - 0.76 V.( علما بأن جهد اختزال القطب القياسي للخارصين +0.34 ( فولت ؟ V.( وللنحاس بما ان جهد اختزال النحاس أكبر من جهد اختزال الخارصين لذا فات الكاثود لنحاس والانود هو الخارصين وهذا صحيح لو نظرنا الى معادلة الخلية فتحول الخارصين من فلز الخارصين الى ايون الخارصين وتحول ايون ا لنحاس الى فلز النحاس
  54. 54. ++ ++ Zn + Cu Zn + Cu Zn → Zn ++ + +0.76 تاكسد volt انود 2e Cu ++ + 2e → Cu 0.34 + أختزال volt كاثود ------------------------------------------------- Zn + Cu ++ → Zn++ + Cu 1.1 volt بالجمع للجهدين نحصل على جهد الخلية القياسي ويساوي 1.1 فولت
  55. 55. بتركيز 1 H+ مثال محلول يحتوي على ايونات هل H مولاري وتحت ضغط جوي 1 جو من غاز 2 بامكان هذا المحلول اذابة فلز الفضة الموجود بتركيز 1 Ag+ في محلول يحتوي على ايونات ؟0.80= Ag+ مولاري علما ان جهد اختزال ان تفاعل نصفي الخلية هما 2Ag→ 2 Ag+ + 2e 0.80 تاكسد = E ە H 0 اختزال = E ە 2 2 H+ + 2e → H ↑ 0.80 - = E ە 2 2Ag + 2 H+ → 2 Ag + + بما ان جهد الخلية سالب فمعنى هذا ان التفاعل لاتلقائي لذا فانه لايمكن اذابة فلز الفضة وان التفاعل العكسي هو التفاعل التلقائي
  56. 56. 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
  57. 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 = E0 cathode - E0 anode = +0.80 – (-0.28) • = +1.08 V • 58
  58. 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
  59. 59. Calculate the Eo cell 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 o red + E o ox = +2.38 + 0.15 = +2.53 V 60
  60. 60. Predict : Spontaneous or non-spontaneous? Zn + Sn4+ →Sn2+ + Zn2+ • Eθcell = E o red + E o ox = + 0.76 + 0.15 = +0.91 V. • تلقائي Spontaneous • 61
  61. 61. Predict : Spontaneous or non-spontaneous? Pb2+(aq) + 2Cl-(aq) → Pb(s) + Cl2(g) Eθcell = E o red + E o ox • = (-1.36) + (-0.13) • = - 1.49 V . Non-spontaneous No Reaction 62
  62. 62. Predict whether the following reactions occur spontaneously : 2Ag(s) + Br2(aq)→ 2Ag+ (aq) + 2Br- (aq) Eθcell = E o red + E o ox • = +1.07 V + - 0.80 V • = + 0.27 V • . The reaction is spontaneous • 63
  63. 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 o red + E o ox = +0.80 – (-0.14) = +0.94 V E0 cell = +ve ( reaction is spontaneous) 64
  64. 64. قياس جهود الاقطاب والخلايا الغير القياسية )معادلة نيرنست( استطاع نيرنست التوصل إلى علاقة رياضية تربط بين جهد الخلية الكهر وكيميائية وتركيز المحاليل فيها أي الخلايا الغير القياسية وفي درجات الحرارة المختلفة أي قياس جهود الخلايا التي تكون فعاليتها لا تساوي واحد وصيغت في القانون التالي :
  65. 65. 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
  66. 66. 0 العلاقة بين الجهد والتركيز K ثابت فارادي = 96487 كولوم/ مكافئ . أما F فهي ثابت الاتزان للتفاعل ، وعند التعويض بهذه القيم في المعادلة السابقة عند 298 درجة مطلقة نحصل على العلاقة في االمعادلة التالية : k 0.0592 0 E E ln n  
  67. 67. E  E0  K Cell Cell ln RT nF T ، الثابت العام للغازات = 8.314 جول/مول.مطلقة R حيث عدد الالكترونات المتبادلة في n ، درجة الحرارة المطلقة الفراداي = 96500 كولوم F، تفاعل الاكسدة والاختزال وفي درجة 25 مْ أي 298 مطلقة فيكون الحد 0.0592 وعليه ستكون المعادلة عند 25 م = 2.303RT F
  68. 68. جهد الخلية وحالة التوازن عند الاستمرار في التفريغ الكهربائي للخلية الفولتائية يبدا جهدها بالانخفاض الى ان يصبح صفر وعندئذ يصبح التفاعل العام للخلية في حالة توازن وحاصل التفاعل = ثابت التوازن وبالتعويض في معادلة نيرنست نحصل على مايلي في أي درجة حرارة K RT 2.303 E ln nF  
  69. 69. عند 25 م K 0.0592 E ln n   جهد الخلية والطاقة الحرة ΔG = 2.303RTlnK --------- (1) E 2.303 = ە RT / nF lnk -- ------- (2) بقسمة معادلة 1 على 2 وبالتبسيط نحصل على Δ G = - nFً E ە يجب ان تكون بالجول Δ Gً وان وحدة ال ويمكن استخدام العلاقة اعلاة في جميع درجات الحرارة ΔG = - n FE
  70. 70. مثال على معادلة نيرنست احسب الجهد الكهربائي في خلية دانيال عندما يكون تركيز أيونات الخارصين 0.001 مولار، وتركيز أيونات النحاس 1مولار عند 25 درجة مئوية . 0 cell Ec e l l= E - 0.0592/2 ln0.001/1 = 1.1 + 0.089 = 1.19 V
  71. 71. Calculate the Ecell for the following cell Zn(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
  72. 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
  73. 73. -2 الخلية الالكتروليتية )جهاز التحليل الكهربائي( وهي خلية مستهلكة للتيار الكهربائي تحول الطاقة الكهربائية من مصدر خارجي الى طاقة كيمياوية بهيئة عناصر مترسبة او متحررة عند القطبين وعملها يكون غير تلقائي ومن الامثلة عليها خلايا الطلاء الكهربائي .
  74. 74. 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
  75. 75. كيف تعمل الخلية الالكتروليتية تتكون من اناء واحد يحتوي على محلول او منصهر كلوريد النحاسيك ويوضع في هذا المحلول قطبين من الكرافيت متصلين بسلكين خارجيين الى مصدر تيار كهربائي مستمر )بطارية( حيث تكتمل الدائرة الكهربائية
  76. 76. 77
  77. 77. ماذا يحصل داخل الخلية الالكتروليتية نحو القطب Cu++ -1 تنتقل الايونات الموجبة السالب ( الكاثود( لكي تكتسب منه الالكترونات وتتحول الى ذرات النحاس المترسبة أي تحصل عملية اختزال اختزال Cu++ + 2e→ Cu
  78. 78. نحو القطب Cl - -2 تتحرك الايونات السالبة الموجب ( الانود( لكي تفقد الكتروناتها عند القطب الموجب وتتحول الى جزيئات الكلور المتحررة أي Cl- + e-→ Cl تحصل عملية تاكسد 2Cl- → Cl2+ 2e
  79. 79. الخلايا التحليلية - + بطارية الكاثود - + الانود - Cl ++ التحليل الكهربي لمحلول كلوريد النحاسيك ++ Cu + 2e Cu - 2Cl Cl2+ 2e Cu
  80. 80. 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) → 81 Cl(g)+ 2Na(s) 2
  81. 81. Electrolysis of Aqueous Salt Electrolysis of aqueous salt is more complex  because 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 V Oxidation : 2H2O (l) → 4H+ (aq) + O2 (g) + 4e- E0 = -1.23 V 82
  82. 82. Electrolysis of Aqueous NaCl the cathode attracts Na+ ion and H2O • molecules the anode attracts Cl- ion and H2O • molecules The electrolysis of aqueous Na Cl depends on the concentration of electrolyte. 83
  83. 83. Electrolysis of diluted NaCl solution 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.  H  2O easier to reduce. Anode:(E0 For oxidation) Cl2 (g) + 2e- → 2Cl- (aq) E0 = -1.36 V O2 (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
  84. 84. Reactions involved• Cathode: 4H • 2O (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 H • 2O 2H • 2O(l)→ O2(g) + 2H2(g) E0 • cell=-2.06 V 85
  85. 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 V Anode:2Cl- (aq) → Cl2 (g) + 2e- E0 = -1.36 V ---------------------------------------- Cell reaction:2H2O(l) +2Cl- → Cl2(g) + H2(g) + 2OH-(aq) E0 cell = -2.19 V 86
  86. 86. Predict the electrolysis reaction when Na2SO4 solution is electrolysed using • platinum electrodes. Solution: • Na 2SO4 aqueous solution contains Na+ ion, SO4 2-  ion and water molecules . On electrolysis,  the cathode attracts Na+ ion and H 2O molecules  the anode attracts SO4 2- ion and H2O • molecules 87
  87. 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  H  2O easier to reduce Anode : E0 for oxidation) S2O8 2- (aq) E0 = -2.01 V 2- (aq) +2e- → 2SO4 O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e- → 2H2O (l) E0 = -1.23 V E0 for water molecules is less positive  H  2O easier to oxidise 88
  88. 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: 2H • 2O(l)→O2(g) +2H2(g) E0 cell=-2.06 V Cathode = H2 gas is produced and solution become basic at cathode because OH- ions are formed Anode = O  2 gas is produced and solution become acidic at anode because H+ ions are formed 89
  89. 89. هي عملية اكساء اداة مصنوعة من فلز بفلز اخر والاداة قد تكون قائش ساعة او خاتم وغيرها ليكسبها منظرا مرغوب فيه او ليقيها من التاكل والصدأ فنجعل الفلز المراد الطلاء به مثل الفضة او الذهب انود الخلية اما القطعة المراد طلائها تنظف ونجعلها كاثود الخلية ومحلول الخلية يحتوي على احد املاح 90 ماهو الطلاء الكهربائي
  90. 90. املاح الفلز المراد الطلاء بها مثل نترات الفضة اونترات الذهب كيف نحصل على طلاء جيد الطلاء يعتمد على شدة التيار المار في محلول الخلية وعلى تركيز ايونات الفلز المراد الطلاء بها فكلما كانت شدة التيار ضعيفة وكانت تركيز ايون الفلز قليل كلما كان الطلاء جيد
  91. 91. 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
  92. 92. Faraday’s 1st Law m α Q • Q = electric charge in coulombs (C) • m = mass of substance discharged • 93
  93. 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
  94. 94. القانون الأول : كتلة المادة المتحررة أو المترسبة في خلية التحليل الكهربي تتناسب طردي ا مع كمية الكهرباء المارة في المحلول . W  Q W = I x t كمية الكهربائية Q : أي أن هو الزمن t ، هو التيار الكهربائي I حيث
  95. 95. القانون الثاني : كتلة المادة المتحررة أو المترسبة في خلية التحليل الكهربائي تتناسب طردي ا مع الوزن المكافئ الغرامي . W = e / F : أي أن W  e الوزن المكافئ الغرامي ويساوي e حيث 1 = ثابت التناسب. /F ، الوزن الذري/ عدد التكافؤ
  96. 96. وبدمج قانوني فاراداي نحصل على : W = I x t x e / F ) الفراداي= 96498 ( = F W = I x t x e / 96500
  97. 97. اذن عدد الفراداي= عدد الكولومات/ 96500 او عدد الفراداي= )عدد الذرات الفلز المترسبة/عدد التكافؤ للعنصر x( أفوكادرو 2x ) عدد الفراداي= )عدد الجزيئات/عدد أفوكادرو ) التكافؤ للعنصر( عدد الفراداي= وزن الغاز المتحرر/الوزن الجزيئي x ) عدد الفراداي= )حجم الغاز في ظروف قياسية/ 22.4 2 التكافؤ للعنصر( (
  98. 98. x ) عدد الفراداي= )حجم الغاز في ظروف قياسية/ 22.4 2 التكافؤ ) للجزيئة( ( 2 x في ظروف قياسية / 22.4 Cl 0.02 = حجم 2 C m 0.224 لتر = 3 224 = Cl أذن حجم 2
  99. 99. 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
  100. 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 = 63.5 • Mass of Copper deposited = 0.014 x 63.5 = 0.889 g • 101
  101. 101. مثال احسب كمية الصوديوم المترسبة بعد مرور 1930 كولوم من الكهربائية خلال منصهرمن كلوريد الصوديوم 2(حجم الغاز المتحرر في ظروف قياسية ؟ على الانودعلم ا بأن الوزن الذري للصوديوم = 23 عدد الفراداي= عدد الكولومات/ 96500 0.02 فراداي = 1930/96500 = التكافؤ x وزته الذري / Na عدد الفراداي= وزن 1x 23/ Na 0.02 = وزن 0.46 غم = Na وزن
  102. 102. خلايا التركيز خلايا التركيز خلايا تتألف من قطبين متشابهين يتولد فيها تيار كهربائي نتيجة لاختلاف تركيز المحلولين الموجودين في القطبين ، ويكون سريان التيار في اتجاه يميل إلى مساواة التركيز في المحلولين .
  103. 103. تركيز أعلى تركيز أقل الكاثود )اختزال( الانود )اكسدة( ++ Cu Cu + 2e ++ Cu + 2e Cu
  104. 104. خلية أوكسيد الزئبق أو ) أوكسيد الفضة( وهي تلك الخلايا المستخدمة في الاجهزه الحساسة والدقيقة مثل الكاميرات والساعات اليدوية واجهزة السمع وبعض الحاسبات اهم مميزاتها: 1(صغيرة الحجم 2 (ثبوت جهدها 3(تعمل في محيط قاعدي
  105. 105. تركيب الخلبية الزئبقية Hgo الانود يتكون من الخارصين اما الكاثود فيتكون من الفولاذ و الحاوية على KOH المادة الالكتروليتية عبارة عن عجينة من Hgo اوكسيد الزئبق تفاعلاتها Zn+ 2OH- → ZnO + H2O+ 2e الانود HgO + H2O+ 2e → Hg + 2OH- الكاثود Zn+ HgO →ZnO +Hg التفاعلل العام
  106. 106. )البطارية الجافة ( • تستخدم في اجهزة ال ا رديو والمسجل والحاسبة مثل خلية النور الع ا رقية وتتكون من الانود يتكون من اناء الخارصين اما الكاثود فيتكون من قضيب من الك ا رفيت المادة الالكتروليتية وهي عبارة عن عجينة تتكون من كلوريد الخارصين وكلوريد الامونيوم وثنائي اوكسيد المنغنيز ومسحوق الكاربون وقليل من الماء توضع في اناء الخارصين التفاعلات معقدة وتعتمد على سرعة التفريغ فاذا كان التفريغ بطئ تحصل التفاعلات التالية
  107. 107. عند الانود ) تاكسد ( ++ - Zn Zn + 2e عند الكاثود ) اختزال ( ++ - 2MnO + Zn + 2e ZnMn O 2 2 4 108 التفاعل العام Zn + 2MnO 2 ZnMn 2O4
  108. 108. الخلية الجافة )البطارية الجافة ( قضيب كربون الكاثود علبة خارصين الانود معجون من MnO ZnCl و 2 2
  109. 109. نضيدة الخزن الرصاصية تستعمل في تشغيل السيارة مثل نضيدة بابل العراقية وتتكون بطارية السيارة من ست خلايا متصلة مع بعضها على التوالي بحيث يتصل الانود للخلية بكاثود الخلية الأخرى، وتنتج كل خلية 2 فولت فيكون مجموع ما تنتجه البطارية كاملة 12 فولت تتألف نضيدة الخزن الرصاصية تمتلئ به )Pb( من قطبين الانود من رصاص اسفنجي الصفائح الشبكية الرصاصية الكاثود عبارة عن ثنائي تمتلئ به الصفائح الشبكية )PbO اوكسيد الرصاص ) 2 الرصاصية
  110. 110. المحلول الالكتروليتي هو محلول حامض الكبريتيك كثافته gm/ml 1.3- عند شحن النضيدة تتراوح بين 1.2 • نتيجة الاستعمال يستهلك جزء من حامض الكبريتيك
  111. 111. التفاعل الكلي + Pb + PbO + 2HSO + 2H 2PbSO + 2H O 2 4 4 2 _ عند االانود ) تاكسد( _ - Pb + HSO PbSO + 2e + H 4 عند الكاثود ) اختزال ( + 4 + PbO + HSO + 3H + 2e PbSO + 2H O 2 4 4 2 _ -
  112. 112. خلية الوقود تستعمل هذه الخلية في السفن الفضائية مثل سفينة ابولو تستخدم الوقود بتحويل تفاعله مباشرة الى طاقة كهربائية . دون اللجوء الى تحويله الى حرارية ثم الى كهربائية 2 % تعمل في وسط قاعدي مؤلف من 25 % ماء و 75 هيدروكسيد البوتاسيوم 3. تعمل عند درجة 200 م للمحافظة على سيولة المادة الالكتروليتية 4.غير قابلة للشحن 5. يستعمل فيها غاز سهل الاكسدة على الانود وغاز الاوكسجين على الكاثود H مثل غاز 2
  113. 113. تفاعلات خلية الوقود H+ 2OH- → 2HO+ 2e • الانود 22• الكاثود 1/2 O+ HO +2e→ 2OH- 22• H+ 1/2 التفاعل العام O - → HO 22 2• حيث يكثف بخار الماء الناتج ويضاف الى خزان ماء الشرب لرواد الفضاء في السفينة
  114. 114. H O2 2 محلول KOH الكاثود )اختزال( الانود )اكسدة( 1.23V
  115. 115. 117
  116. 116. الخلايا الانعكاسية وغير الانعكاسية عندما تصبح الخلية غير قادرة على انتاج جهد كهربي يقال عنها بأنها خلية ميتة ، وهذا يعني أن التفاعلات الكيميائية التي تولد التيار الكهربائي تكون قد انتهت أو وصلت إلى حالة الاتزان ، وفي بعض الخلايا يكون من الممكن اعادة توليدها أو اعادة شحنها ، كما هو الحال في خلية دانيال وتسمى الخلايا الانعكاسية مثلا وذلك بالتأثير عليها بجهد خارجي أعلى قليلا من جهد الخلية وفي اتجاه معاكس .
  117. 117. الخلايا الانعكاسية ونظراَ لًانه من الممكن اعادة شحن خلية دانيال لذا فإنها تسمى بالخلية المنعكسة . فعند تطبيق هذه القوة تنعكس التفاعلات الكيميائية في الخلية فيتأكسد النحاس ويذوب ، ويختزل الخارصين فيترسب . وبذلك يمكن اعادة توليد جميع المواد التي استهلكت أثناء التفاعل التلقائي الذي يتم في الخلية .
  118. 118. الخلايا الغير الانعكاسية أما البطارية الجافة فإن التفاعلات الكيميائية فيها تنتهي ولا يمكن عكس التفاعلات الكيميائية فيها ، لذا فإنه لا يمكن توليد التيار في هذا النوع من الخلايا ، لذلك يقال عن هذا النوع من الخلايا بالخلايا غير المنعكسة .
  119. 119. تصوروا..... كيف تكون الحياة دون بطاريات ؟

×