الهدف
بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادراً على حساب جهد الخلية القياسي من جهود الأقطاب القياسية للكاثود والأنود.
شرح الدرس
يُقاس جهد القطب القياسي لكل نصف تفاعل اختزال بالنسبة لمرجع ثابت هو قطب الهيدروجين القياسي، الذي يُعطى جهداً مرجعياً = صفر فولت تحديداً.
يُحسب جهد الخلية القياسي الكلي E°cell من الفرق بين جهدي قطبي الكاثود والأنود: E°cell = E°cathode – E°anode، حيث تُستخدم قيم جهود الاختزال القياسية (E°) لكلا القطبين كما وردت في جداول مرجعية قياسية.
عندما تكون قيمة E°cell موجبة، يكون التفاعل الكلي تلقائياً (يحدث من تلقاء نفسه، كما في الخلية الجلفانية)؛ وعندما تكون سالبة، يكون التفاعل الكلي غير تلقائي في هذا الاتجاه (يحتاج طاقة خارجية لدفعه، كما في الخلية الإلكتروليتية).
أسئلة تدريبية
1. خلية جلفانية فيها E° للكاثود = +0.34 فولت، وE° للأنود = -0.76 فولت. احسب جهد الخلية القياسي E°cell.
عرض الإجابة
E°cell = E°cathode – E°anode = 0.34 – (-0.76) = 0.34 + 0.76 = 1.10 فولت.
2. باستخدام نتيجة السؤال السابق (E°cell=+1.10 فولت، قيمة موجبة)، هل هذا التفاعل تلقائي أم غير تلقائي؟
عرض الإجابة
تلقائي؛ لأن القيمة الموجبة لـ E°cell تدل على تفاعل تلقائي.
3. خلية جلفانية فيها E° للكاثود = -0.13 فولت، وE° للأنود = -0.44 فولت. احسب جهد الخلية القياسي E°cell.
عرض الإجابة
E°cell = -0.13 – (-0.44) = -0.13 + 0.44 = 0.31 فولت.
4. ما جهد قطب الهيدروجين القياسي، المُستخدم كمرجع لقياس جهود الأقطاب الأخرى؟
عرض الإجابة
صفر فولت (0 V)، بالتعريف.
5. نصفا تفاعل مختلفان لهما جهدا اختزال قياسيان +0.80 فولت و-0.25 فولت. إذا كوّن هذان النصفان خلية جلفانية، أي منهما يكون الكاثود (الأعلى جهداً أم الأدنى)؟
عرض الإجابة
صاحب الجهد الأعلى (+0.80 فولت) يكون الكاثود؛ لأن الكاثود في الخلية الجلفانية يجب أن يكون له جهد اختزال أعلى (أكثر ميلاً للاختزال) من الأنود، لضمان أن يكون E°cell موجباً (تفاعل تلقائي).
6. باستخدام معطيات السؤال السابق (+0.80 و-0.25 فولت)، احسب جهد الخلية القياسي الناتج عن دمج هذين النصفين.
عرض الإجابة
E°cell = E°cathode – E°anode = 0.80 – (-0.25) = 0.80 + 0.25 = 1.05 فولت.
7. لماذا يُشترط استخدام “الظروف القياسية” (تركيز 1 مول/لتر، ضغط 1 ضغط جوي، درجة حرارة 25°م عادة) عند قياس جهود الأقطاب القياسية E°؟
عرض الإجابة
لأن جهد القطب الفعلي يمكن أن يتأثر بتغيّر التركيز أو الضغط أو درجة الحرارة؛ فتحديد “ظروف قياسية” موحدة يسمح بمقارنة جهود أقطاب مختلفة بشكل عادل ومتسق فيما بينها، بدلاً من أن تعتمد المقارنة على ظروف تجريبية مختلفة قد تُعطي نتائج غير قابلة للمقارنة المباشرة.
8. خلية فيها E° للكاثود المُقترح = -0.40 فولت، وE° للأنود المُقترح = +0.15 فولت. احسب E°cell، وحدد هل هذا التركيب (بهذا الاختيار تحديداً لأي قطب هو الكاثود) تلقائي أم غير تلقائي.
عرض الإجابة
E°cell = -0.40 – 0.15 = -0.55 فولت؛ بما أن القيمة سالبة، فهذا التركيب (بهذا الاختيار تحديداً) غير تلقائي؛ (ملحوظة: لو عُكس الاختيار – أي جُعل القطب ذو +0.15 فولت هو الكاثود بدلاً من -0.40 – لأصبح E°cell موجباً وتلقائياً، وهذا هو الاختيار الصحيح عملياً).
9. لماذا يمكن التنبؤ بتلقائية تفاعل خلية معينة من إشارة E°cell فقط، دون الحاجة لإجراء التجربة فعلياً؟
عرض الإجابة
لأن قيمة E°cell الموجبة تعني أن التفاعل الكلي يميل لأن يحدث من تلقاء نفسه وفق قوانين الديناميكا الحرارية (طاقة حرة سالبة مرتبطة رياضياً بـE°cell موجبة)، بينما القيمة السالبة تعني العكس؛ فحساب E°cell من جداول جهود الأقطاب القياسية المعروفة مسبقاً يسمح بالتنبؤ النظري بالتلقائية دون الحاجة لتجربة فعلية.
10. خلية جلفانية فيها E° للكاثود = +1.36 فولت، وE° للأنود = +1.07 فولت. احسب E°cell.
عرض الإجابة
E°cell = 1.36 – 1.07 = 0.29 فولت.
11. ثلاثة أقطاب مختلفة لها جهود اختزال قياسية: A=+0.5 فولت، B=+0.2 فولت، C=-0.3 فولت. إذا كوّنت خلية جلفانية باستخدام القطبين A وC فقط، احسب E°cell الناتج، وحدد أي القطبين هو الكاثود.
عرض الإجابة
القطب A (الأعلى جهداً) هو الكاثود؛ القطب C هو الأنود؛ E°cell = E°(A) – E°(C) = 0.5 – (-0.3) = 0.8 فولت.
12. باستخدام نفس الأقطاب الثلاثة (A=+0.5، B=+0.2، C=-0.3 فولت)، أي زوج من الأقطاب الثلاثة يُنتج أكبر قيمة ممكنة لـE°cell عند تشكيل خلية جلفانية منهما؟
عرض الإجابة
الزوج A وC؛ لأن E°cell يعتمد على الفرق بين أعلى جهد اختزال (ليكون الكاثود) وأدنى جهد اختزال (ليكون الأنود)؛ وبما أن A أعلى قيمة (+0.5) وC أدنى قيمة (-0.3)، فإن الفرق بينهما (0.8 فولت) هو الأكبر الممكن من بين كل الأزواج الثلاثة الممكنة (A مع B، A مع C، B مع C).