تخبرك الخلايا الكهروكيميائية عن كيفية شحن البطاريات للدوائر وكيف يتم تشغيل الأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة والساعات الرقمية. بالنظر إلى كيمياء الخلايا الإلكترونية ، وإمكانات الخلايا الكهروكيميائية ، ستجد تفاعلات كيميائية تعمل على إرسال تيار كهربائي عبر دوائرها. القدرةهيمكن لخلية أن يخبرك بكيفية حدوث هذه التفاعلات.
حساب الخلية الإلكترونية
•••سيد حسين أثير
نصائح
قم بمعالجة نصف التفاعلات عن طريق إعادة ترتيبها ، وضربها في القيم الصحيحة ، وتقليب إشارة الجهد الكهروكيميائي ، وضرب الجهد. تأكد من اتباع قواعد الاختزال والأكسدة. جمع الإمكانات الكهروكيميائية لكل نصف تفاعل في خلية للحصول على إجمالي الجهد الكهروكيميائي أو الكهربائي للخلية.
لحسابالجهد الكهربي، المعروف أيضًا باسم القوة الدافعة الكهربائية (EMF) ، من أكلفأو فولتية ، باستخدام صيغة الخلية الإلكترونية عند حساب الخلية الإلكترونية:
- قسّم المعادلة إلى نصف تفاعلات إذا لم تكن كذلك.
- حدد المعادلة (المعادلات) ، إن وجدت ، التي يجب قلبها أو ضربها في عدد صحيح. يمكنك تحديد ذلك من خلال معرفة نصف التفاعلات التي من المرجح أن تحدث في تفاعل تلقائي. كلما قل حجم الجهد الكهروكيميائي للتفاعل ، زاد احتمال حدوثه. ومع ذلك ، يجب أن تظل إمكانية التفاعل الإجمالية إيجابية.
- على سبيل المثال ، رد فعل نصف مع جهد كهروكيميائي لـ-5 فولتمن المرجح أن يحدث أكثر من احتمال حدوثه1 الخامس.
- عندما تحدد التفاعلات التي من المرجح حدوثها ، فإنها ستشكل أساس الأكسدة والاختزال المستخدم في التفاعل الكهروكيميائي.
- اقلب المعادلات واضرب طرفي المعادلات بأرقام صحيحة حتى تلخص التفاعل الكهروكيميائي الإجمالي وتُلغى العناصر الموجودة على كلا الجانبين. لأية معادلة تقلبها ، اعكس العلامة. لأي معادلة تضربها في عدد صحيح ، اضرب الجهد في نفس العدد الصحيح.
- لخص الإمكانات الكهروكيميائية لكل تفاعل مع مراعاة العلامات السلبية.
يمكنك أن تتذكر أنود كاثود معادلة الخلية E باستخدام ذاكري "Red Cat An Ox" الذي يخبركأحمريحدث الإخراج فيقطhode واقصيدةثوريفكر.
احسب إمكانات القطب للخلايا النصفية التالية
على سبيل المثال ، قد يكون لدينا خلية كلفانية بمصدر طاقة كهربائية DC. تستخدم المعادلات التالية في بطارية قلوية AA كلاسيكية مع إمكانات كهروكيميائية نصف تفاعلية مقابلة. حساب الخلية الإلكترونية سهل باستخدامهمعادلة الخلية للكاثود والأنود.
- MnO2(ق) + ح2O + البريد− → منوه (ق) + أوه-(عبد القدير) ؛ ها= +0.382 فولت
- الزنك (ق) + 2 أوه -(عبد القدير) → Zn (يا)2(ق) + 2 هـ-; ها = +1.221 فولت
في هذا المثال ، تصف المعادلة الأولى الماءح2ايتم تقليله بفقدان البروتون (ح+) لتشكيلأوه- بينما أكسيد المغنيسيومMnO2يتأكسد باكتساب بروتون (ح+) لتكوين هيدروكسيد المنغنيزمنوه.المعادلة الثانية تصف الزنكZnيتأكسد مع اثنين من أيون هيدروكسيدأوه - لتكوين هيدروكسيد الزنك Zn (OH)2 أثناء إطلاق إلكترونين.
لتشكيل المعادلة الكهروكيميائية الشاملة التي نريدها ، لاحظ أولاً أن المعادلة (1) من المرجح أن تحدث أكثر من المعادلة (2) لأنها تحتوي على مقدار أقل من الجهد الكهروكيميائي. هذه المعادلة هي تقليل الماءح2التشكيل هيدروكسيدأوه-وأكسدة أكسيد المغنيسيومMnO2. هذا يعني أن العملية المقابلة للمعادلة الثانية يجب أن تؤكسد الهيدروكسيدأوه-لإعادته إلى الماءح2ا.لتحقيق ذلك ، يجب تقليل هيدروكسيد الزنكZn (يا)2العودة إلى الزنكZn.
هذا يعني أنه يجب قلب المعادلة الثانية. إذا قلبته وغيرت علامة الجهد الكهروكيميائي ، تحصل عليهZn (يا)2(ق) + 2 هـ- → الزنك (ق) + 2 أوه -(عبد القدير) مع إمكانات كهروكيميائية مقابلةها = -1.221 فولت.
قبل جمع المعادلتين معًا ، يجب أن تضرب كل مادة متفاعلة ومنتج من المعادلة الأولى في العدد الصحيح 2 للتأكد من أن الإلكترونين في التفاعل الثاني يوازنان الإلكترون الفردي من الأول واحد. هذا يعني أن معادلتنا الأولى تصبح 2MnO2(ق) + 2 ح2O + 2e− → 2 عدد (عدد) + 2 أوه-(عبد القدير)مع إمكانات كهروكيميائيةها= +0.764 فولت
أضف هاتين المعادلتين معًا والجهدين الكهروكيميائيين معًا للحصول على تفاعل مشترك: 2MnO2(ق) + 2 ح2O + Zn (يا)2(س) → الزنك (ق) + منوه (ق)مع الإمكانات الكهروكيميائية-0.457 فولت. لاحظ أن 2 أيونات هيدروكسيد والإلكترونين على كلا الجانبين تلغي عند إنشاء صيغة ECell.
كيمياء الخلية الإلكترونية
تصف هذه المعادلات عمليات الأكسدة والاختزال بغشاء شبه مسامي مفصول بجسر ملح. الجسر الملحمصنوع من مادة مثل كبريتات البوتاسيوم التي تعمل كإلكتروليت خامل n يسمح للأيونات بالانتشار عبر سطحه.
في الالكاثودات، الأكسدة ، أو فقدان الإلكترونات ، و ، فيالأنوداتحدوث اختزال أو اكتساب الإلكترونات. يمكنك أن تتذكر هذا بكلمة ذاكري "OILRIG". تخبرك أن "الأكسدة هي خسارة" ("الزيت") و "الاختزال ربح" ("RIG"). المنحل بالكهرباء هو السائل الذي يسمح للأيونات بالتدفق عبر كلا الجزأين من الخلية.
تذكر إعطاء الأولوية للمعادلات والتفاعلات التي من المرجح أن تحدث لأن حجمها الكهروكيميائي أقل. تشكل هذه التفاعلات أساس الخلايا الجلفانية وجميع استخداماتها ، ويمكن أن تحدث تفاعلات مماثلة في السياقات البيولوجية. تولد أغشية الخلايا جهدًا كهربائيًا عبر الغشاء حيث تتحرك الأيونات عبر الغشاء ومن خلال الإمكانات الكيميائية الحركية الكهربائية.
على سبيل المثال ، تحويل النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH) في وجود البروتونات (ح+) والأكسجين الجزيئي (ا2) ينتج نظيره المؤكسد (NAD+) بجانب الماء (ح2ا) كجزء من سلسلة نقل الإلكترون. يحدث هذا مع البروتونالتدرج الكهروكيميائيناتج عن إمكانية ترك الفسفرة المؤكسدة تحدث في الميتوكوندريا وتنتج الطاقة.
معادلة نرنست
المعادلة نرنستيتيح لك حساب الجهد الكهروكيميائي باستخدام تركيزات المنتجات والمواد المتفاعلة عند التوازن مع جهد الخلية بالفولتهزنزانة مثل
E_ {cell} = E_ {cell} ^ - \ frac {RT} {zF} \ ln {Q}
بحيثه-زنزانة هو احتمال رد فعل نصف الاختزال ،رهل ثابت الغاز العام (8.31 جول × ك 1 مول 1), تيهي درجة الحرارة بالكلفن ،ضهو عدد الإلكترونات المنقولة في التفاعل ، وسهو حاصل رد الفعل لرد الفعل الكلي.
حاصل رد الفعلسهي نسبة تتضمن تركيزات من المنتجات والمواد المتفاعلة. للتفاعل الافتراضي:aA + bB ⇌ cC + dDمع المتفاعلاتأوب، منتجاتجود، وقيم الأعداد الصحيحة المقابلةأ, ب, ج، ود، حاصل رد الفعلسسيكونس = [C]ج[د]د / [أ]أ[ب]بمع كل قيمة بين قوسين كتركيز ، عادةً بـمول / لتر. على سبيل المثال ، يقيس التفاعل هذه الحصة من المنتجات إلى المواد المتفاعلة.
احتمالية وجود خلية إلكتروليتية
الخلايا الالكتروليتيةتختلف عن الخلايا الجلفانية في أنها تستخدم مصدرًا خارجيًا للبطارية ، وليس الإمكانات الكهروكيميائية الطبيعية ، لدفع الكهرباء عبر الدائرة. يمكن استخدام الأقطاب الكهربائية داخل المنحل بالكهرباء في تفاعل غير تلقائي.
تستخدم هذه الخلايا أيضًا إلكتروليتًا مائيًا أو مصهورًا على عكس جسر الملح للخلايا الجلفانية. تتطابق الأقطاب الكهربائية مع الطرف الموجب ، والأنود ، والطرف السالب ، الكاثود ، للبطارية. في حين أن الخلايا الجلفانية لها قيم EMF موجبة ، فإن الخلايا الإلكتروليتية لها قيم سلبية مما يعني ذلك ، من أجل الخلايا الجلفانية ، تحدث التفاعلات بشكل تلقائي بينما تتطلب الخلايا الإلكتروليتية جهدًا خارجيًا مصدر.
على غرار الخلايا الجلفانية ، يمكنك معالجة معادلات نصف التفاعل وقلبها وضربها وإضافتها لإنتاج معادلة الخلية الإلكتروليتية الكلية.