الدرس: 4-6 الخلية الكَلفانية (الفولتائية)

الخلية الكَلفانية: هي خلية كهروكيميائية تتحول فيها الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، نتيجة حدوث تفاعلات الأكسدة والاختزال بشكل تلقائي لتوليد تيار كهربائي، أي أن$\mathrm{\Delta }\mathbf{G}$ سالبة.

ماذا تلاحظ عند غمر لوح من الخارصين في محلول من كبريتات النحاس الزرقاء؟ وبم تفسر ذلك؟

1. تآكل لوح الخارصين لحصول تفاعل تلقائي بين الخارصين والمحلول حيث يتأكسد الخارصين ويحرر الإلكترونات.
2. اضمحلال اللون الأزرق، لأن عنصر الخارصين يتأكسد ويفقد إلكتروناته التي تكتسب من قبل أيونات النحاس المائية الزرقاء فتختزل وتتحول إلى ذرات بنية اللون وبالتالي ينقص تركيز أيونات النحاس في المحلول .
3. تحرير طاقة، لأن انتقال الإلكترونات يتم مباشرة من الذرات إلى الأيونات التي تكون في تماس مع الذرات وهذه العملية يصاحبها انبعاث حرارة.
4. ظهور طبقة إسفنجية بنية اللون على سطح الخارصين، بسبب اكتساب أيونات النحاس الإلكترونات وتتحول إلى ذرات تترسب على شكل طبقة إسفنجية بنية على سطح الخارصين.

حدد العنصر الذي يعاني تأكسداً والذي يعاني اختزالاً عند غمر لوح من الخارصين في محلول من كبريتات النحاس ثم أكتب نصفي تفاعلهما والتفاعل العام؟

العنصر الذي يعاني تاكسداً هو عنصر الخارصين والذي يعاني اختزالاً هو أيون النحاس.

$\mathrm{Zn}\to {\mathbf{Zn}}^{++}+2{\mathrm{e}}^{-}$ نصف تفاعل تأكسد.

${\mathrm{Cu}}^{++}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Cu}$ نصف تفاعل اختزال.

بالجمع وحذف الإلكترونات من الطرفين.

التفاعل العام:

$\mathbf{Zn}+{\mathrm{Cu}}^{++}\to {\mathbf{Zn}}^{++}+\mathrm{Cu}$

• القطب (نصف الخلية): هو ذلك العنصر المغمور في محلول يحتوي على أيوناته أو في حالة تماس مع أيوناته مثل لوح من الخارصين مغمور في محلول كبريتات الخارصين.
• الكاثود: هو القطب الذي تحدث عنده عملية الاختزال والذي تتحول إليه الإلكترونات المنتقلة من الأنود.
• الأنود: هو القطب الذي تحدث عنده عملية التأكسد والذي يكون مصدراً للإلكترونات.

تعتبر خلية دانيال من أبسط وأشهر الخلايا الكلفانية، وضح تركيب هذه الخلية وعملها؟

تتكون الخلية من ربط قطبين مختلفين هما قطب الخارصين، والذي يمثل الأنود وقطب النحاس الذي يمثل الكاثود ويتصل بين القطبين سلك من الخارج متصل بفولتميتر ويصل بين محلوليهما جسر ملحي يحتوي على محلول إلكتروليتي لا يتغير كيميائياً أثناء العمل، ويساعد على انتقال الأيونات بين المحلولين.

عمل الخلية:

1. يعاني الخارصين تأكسداً عند الأنود ويتحول إلى أيونات تذوب في المحلول في حين تتوجه الإلكترونات خلال السلك إلى قطب الكاثود (لوح النحاس). $\mathrm{Zn}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$
2. تكتسب أيونات النحاسيك الإلكترونات عند قطب الكاثود حيث تعاني اختزالاً إلى ذرات نحاس تترسب على سطح النحاس فيزداد سمكاً. ${\mathrm{Cu}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Cu}\downarrow$
3. يقل تركيز محلول كبريتات النحاس بسبب اختفاء أيونات النحاس تدريجياً، أما أيونات ^-SO₄ فتنتقل عبر الجسر الملحي إلى محلول ZnSO₄.
4. تنتقل الأيونات السالبة باتجاه القطب الموجب (الأنود)، بينما تنتقل الأيونات الموجبة الموجودة في محلول الجسر الملحي باتجاه القطب السالب (الكاثود).
5. التوصيل الكهربائي يتم عبر انتقال الإلكترونات عن طريق الدائرة الخارجية (السلك الموصل)، بينما في الدائرة الداخلية (الجسر الملحي) يتم من خلال حركة انتقال الأيونات.

$\mathrm{Zn}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$عند الأنود (تأكسد).

${\mathrm{Cu}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Cu}\downarrow$عند الكاثود (اختزال).

التفاعل العام للخلية:

$\mathrm{Zn}+{\mathrm{Cu}}^{2+}\to {\mathrm{Zn}}^{2+}+\mathrm{Cu}$

ما هو الجسر الملحي؟ وما عمله؟

هو أنبوبة زجاجية على شكل حرف U مقلوب تحتوي على محلول إلكتروليتي لا يتغير كيميائياً أثناء العمل ويثبت داخل الأنبوبة بمادة الأكار ويساعد على انتقال الأيونات بين المحلولين وبالتالي يساعد على استمرار التيار الكهربائي بين القطبين.

ما الفرق بين الأنود والكاثود؟

الأنود:

1. قطب تحصل عنده عملية التأكسد.
2. يعتبر مصدراً للإلكترونات.
3. يذوب العنصر الفلزي المتصل به.
4. في الخلايا الفولتائية (الكلفانية) يمثله عنصر ذو جهد تأكسد عالي.

الكاثود:

1. قطب تحصل عنده عملية الاختزال.
2. يكون مستلما للإلكترونات.
3. يزداد سمك العنصر الفلزي المتصل به.
4. في الخلايا الفولتائية (الكلفانية) يمثله عنصر ذو جهد اختزال عالي.

إذا علمت أن التفاعل الآتي:

⁺2Ag + Cl₂ $\to$ 2Cl^- + 2Ag

يحدث بصورة تلقائية في خلية كلفانية أكتب تفاعلات نصفي الخلية ثم وضح اتجاه سريان الإلكترونات واتجاه حركة الأيونات عبر الجسر الملحي المملوء بمحلول KNO3؟

$$\begin{gathered} 2\mathrm{Ag}\to 2{\mathbf{Ag}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-} \\ {\mathrm{Cl}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}\to 2{\mathrm{Cl}}^{-} \end{gathered}$$

تسري الإلكترونات من الأنود (قطب الفضة) باتجاه الكاثود (قطب الكلور)، بينما تتحرك الأيونات الموجبة عبر الجسر الملحي إلى القطب السالب (الكاثود) والأيونات السالبة إلى القطب الموجب (الأنود).