تعرف على علم الكيمياء
السلسلة الكهروكيميائية Electrochemical Series
– السلسلة الكهروكيميائية هو ترتيب للمواد وفق نشاطها الكيميائي بالاعتماد على جهود الاختزال المعيارية.
– رتبت جھود الأقطاب القیاسیة والتي یرمز لھا بالرمز Eο في الجداول بناءً على التناقص في قیم جھود تفاعلات الإختزال (جدول ١) ، أي التزاید في الإیجابیة. وعند كتابة تفاعل أكسدة فإن قیمة الجھد تساوي لما ھو مكتوب في جداول الإختزال إلا أنھا بعكس الإشارة.
– ترتیب الجداول بناء على جھود الإختزال ((reduction potential سبقه ترتیب الجداول بناء على جھود الأكسدة (Oxidation Potential) وفیه ترتب الجھود بصورة معاكسة لجھود الإختزال أي یبدأ بالأقطاب الأكثر إیجابیة ثم تتناقص قیمة الأكسدة.
– تسمى الجداول المؤلفة من جھود اختزال أو جھود أكسدة بالسلسلة الكھروكیمیائیة، أو سلسلة الإزاحة، أو سلسلة القوة الدافعة الكھربیة.
– لقد اعتمدت أخیراً جداول الإختزال ( السلسلة الكهروكيميائية) في مؤتمر عالمي عقد في استكھولم بحیث أن جمیع الجھود التي تعطى في المسائل ھي جھود اختزال.
– إذا أعطیت عنصرین عرف جھدا اختزالھما، فإن العنصر الذي جھد اختزاله أكبر یمثل المھبط (cathode) والعنصر الذي جھد اختزاله أصغر یمثل المصعد (anode).
– لقد تم الإتفاق على أن یكون قطب الھیدروجین ھو القطب المرجع، أي یتم مقارنة جھود الأقطاب مع قطب الھیدروجین، وقد تم الإتفاق على أن قیمة جھد قطب الھیدروجین القیاسي یساوي صفراً وذلك تسھیلاً للحسابات.(ویقصد بالقیاسي أي في الظروف القیاسیة حیث الضغط للغاز یكون وتركیز أیونات الھیدروجین المغمور فیھا البلاتین الذي یمرر علیه غاز الھیدروجین یكون مساویاً للوحدة (M1).
جداول السلسلة الكهروكيميائية Electrochemical Series
فيما يلي جهود الأختزال القياسية Standard potentials لبعض الاقطاب عند 25 Co
ملاحظات هامة على السلسلة الكهروكيميائية
(1) كلما نقصت جھود الإختزال القیاسیة للأقطاب كلما كانت قابلیة المادة للأكسدة أعلى من قابلیتھا للإختزال (تزداد قدرتھا كعوامل اختزال). ومن جدول السلسلة الكھروكیمیائیة فإن أقوى العوامل المختزلة (أسھل العناصر أكسدة) ھو اللیثیوم (Li)
كلما قلت قیمة جھد الإختزال كلما زادت قوة المادة كعامل مختزل
(2) كلما زادت قیم جھود الإختزال للأقطاب كلما كانت قابلیة المادة للإختزال أعلى من قابلیتھا للأكسدة (تزداد قدرتھا كعوامل أكسدة). وأقوى العوامل المؤكسدة (أسھل العناصر اختزالاً) ھو الفلور F2
كلما زاد قیمة جھد الإختزال كلما زادت قوة المادة كعامل مؤكسد
(3) في أي نظام (خلیة كھروكیمیائیة) یحتوي على قطبین، فإن القطب ذو جھد الإختزال الأكبر یمثل المھبط، ویمثل الى جھة الیمین في ھندسة الخلیة، بینما القطب ذو جھد الإختزال الأصغر فیمثل المصعد، ویمثل الى الجھة الیسار.
(4) یحدد القطب الذي یحدث له أكسدة والذي یحدث له اختزال من خلال قیم جھود الإختزال وفقاً للعلاقة التالیة:
فلو كان لدینا قطبا الرصاص والكلور، وكانت جھودھما الإختزالیة:
فنلاحظ أن:
(5) إشارة جهد الإختزال وجهد الأكسدة
(أ) إذا كانت قیمة جھد الإختزال للقطب بالموجب (أكبر من الصفر) فإنه مقارنة بأیون الھیدروجین (الذي جھد اختزاله یساوي الصفر) یصبح سھل الإختزال (إذا كان على صورة أیونات) وصعب التأكسد (إذا كان على صورة صلبة أو أیونیة لھا أكثر من تكافؤ) ولذلك یصبح أقل نشاطاً من الھیدروجین، أي لا یستطیع أن یحل محل الھیدروجین في مركباته مثل الماء والأحماض في الظروف العادیة. والشكل التالي یوضح ذلك.
على سبیل المثال النحاس الذي جھد اختزاله EoCu+2/Cu = +0.337 V لا یستطیع طرد الھیدروجین (من محالیله والذي یكون على صورة أیونات ھیدروجین لأن جھد اختزال النحاس أكبر من الصفر:
(ب) إذا كانت قیمة جھد الإختزال للقطب بالسالب (أصغر من الصفر) فإنه مقارنة بأیون الھیدروجین (الذي جھد اختزاله یساوي الصفر) یصبح صعب الإختزال (إذا كانت على صورة أیونات) وسھل التأكسد (إذا كان على صورة صلبة أو أیونیة لھا أكثر من تكافؤ) ولذلك یصبح أكثر نشاطاً من الھیدروجین، أي یستطیع أن یحل محل الھیدروجین في مركباته مثل الماء والأحماض في الظروف العادیة.
وعلى سبیل المثال الخارصین (الزنك ) الذي جهد اختزاله ((EoZn = – 0.7624 V یستطیع طرد الھیدروجین (من محالیله والذي یكون على صورة أیونات ھیدروجین (H+) لأن جھد اختزال الخارصین أصغر من الصفر:
(6) إذا ضربت المعادلة في معامل ما فإن جھد الإختزال لا یتغیر.
(7) یختلف جھد الأكسدة عن جھد الإختزال في الإشارة فقط.
(8) الفرق بین جھد المھبط القیاسي وجھد المصعد القیاسي یعبر عن جھد الخلیة . وجھد الخلیة ھو مقیاس لقدرة الخلیة على القیام بجھد كھربي. أو ھو مقیاس لقدرة المواد المتفاعلة على التفاعل عند الشروط القیاسیة.
والشروط القیاسیة ھي:
(أ) تركيز المحلول 1 molar
(ب) درجة الحرارة 25 Co
(جـ) ضغط الغازات 1 atm
(9) العوامل المؤثرة في جهد الخلية
هناك عدة عوامل تؤثر على قيمة جهد الخلية ومنها:
(أ) تراكیز الأیونات في نصفي الخلیة.
(ب) الضغط الجزئي للغاز المشارك في تفاعلات الخلیة.
(جـ) درجة الحرارة.
وعند الشروط الغير القیاسیة فإن جھد الخلیة یحسب وفقاً لمعادلة نیرنست التالیة:
حيث أن:
Ecell: جهد الخلية في غير الظروف القياسية
Eocell: جهد الخلية القياسي.
R: ثابت الغازات العام (R = 8.314 J/mol K)
T: درجة الحرارة المطلقة بالكلفن (K = Co + 273)
Z: عدد الألكترونات المشاركة في التفاعل (سواء تفاعل أكسدة أو أختزال أو تفاعل كلي بعد توحيد المعاملات في معادلتي الأكسدة والإختزال).
F: ثابت فاراداي ( 1 F = 96500)
Q: رائز التفاعل وهو عبارة عن النسبة بين حاصل ضرب تراكيز النواتج الأيونية وحاصل ضرب تركيز المتفاعلات الأيونية.
ln: اللوغاريتم الطبيعي (ويكافئ بقيمة اللوعغارتيم العشري (ln = 2.303 log10)
(10) دلالة قيمة جهد الخلية
تدل قيمة جهد الخلية على قابلیة المواد المتفاعلة لتكوین مواد ناتجة.
(أ) إذا كانت قیمة جھد الخلیة بالموجب (Ecell = +) فإن التفاعل یكون تلقائیاً (spontaneous) أى أن اتجاه الإلكترونات یكون من الیسار الى الیمین، أي یحدث التفاعل كما ھو مكتوب في معادلة التفاعل المعطاة بالمسألة.
(ب) إذا كانت قیمة جھد الخلیة بالسالب (Ecell = -) فإن التفاعل یكون غیر تلقائي (nonspontaneous) أي أن اتجاه الإلكترونات یكون من الیمین الى الیسار، أي یحدث التفاعل عكس ما ھو مكتوب في معادلة التفاعل المعطاة بالمسألة.
فإذا كان لديك التفاعل التالي:
فھذا التفاعل غیر تلقائي لأن قیمة جھد الخلیة بالسالب، وبالتالي فإن التفاعل التلقائي ھو عكسه أي:
ونلاحظ أنه عند عكس التفاعل فإن قیمة جھد التفاعل تعكس.
هناك العديد من المسائل المحلولة والتمارين على جهد الخلية من خلال موقعنا يمكنك الإطلاع عليها.
المراجع: كتاب الكيمياء الكهربائية / د.عمر بن عبدالله الهزازي/ قسم الكيمياء-كلية العلوم التطبيقية – جامعة أم القرى/ المملكة العربية السعودية
