الدرس الثانى ...قطب الهيدروجين

قطب الهيدروجيـن
مقدمة :-
لايوجد طريقة مؤكدة ومباشرة لقياس الفرق المطلق فى الجهد الكهربى بين قطب فلز ومحلول ايوناتة فى الخلايا الجلفانية فى حين انة يمكن قياس الفرق بين جهدى قطبى الخلية الجلفانية بسهولة وذلك عن طريق تكوين خلية جلفاينة مكونة من قطبين احدهم القطب المراد قياس جهدة والاخر قطب قياسى ذو جهد ثابت ومعلوم ثم قياس القوة الدافعة الكهربية للخلية ( جهد الخلية )ومنة يمكن حساب جهد القطب الغير معلوم 0
 تركيب قطب الهيدروجين
1- صفيحة رقيقة من البلاتين مغطاة بطبقة اسفنجية من البلاتين الاسود
يمر عليها تيار من غاز الهيدروجين تحت ضغ ثابت مقدارة واحد ضغط
جوى ومغمورة فى محلول واحد مولار (1M) من اى حمض قوى
2- يسمى قطب الهيدرجبن تحت هذة الظروف بقطب الهيدروجين القياسى
S.H.E) )وجهدة =صفر
3- يتغير جهد هذا القطب عن الصفر بتغير تركيز ايون الهيدروجين فى المحلول او بتغير الضغط الجزيئى للغاز او كليهما
رمز نصف خلية الهيدروجين القياسى
Pt+H2(1atom.)/H+
علل قد يتغر جهد قطب الهيدروجبن عن الصفر
يحدث ذلك عندما يغير تركيز ايون الهيدروجين فى المحلول او بتغير الضغط الجزيئى للغاز او كليهما
 علل من الصعب الحصول على قطب هيدروجين صلب
لأن ذلك يتطلب الوصول لدرجة حرارة ـ259 درجة وهذا من الصعب الحصول علية
فكرة العمل
4- تغمس صفيحة البلاتين فى محلول حمض الكبريتيك أو الهيدروكلوريك حتى يكون مصدر لأيونات الهيدروجين H2SO4 2H ++ SO4-2
HCl  H+ +Cl -
5- يمر غاز الهيدروجين على سطح صفيحة البلاتين بحيث تكون الصفيحة على إتصال بالغاز والمحلول فى نفس الوقت ( أيونات الهيدروجين )
6- تعمل صفيحة البلاتين كقطب هيدروجين لأنها لها القدرة على امتصاص غاز الهيدروجين
 علل يستخدم محلول حمض الكبريتيك أو الهيدروكلوريك عند تحضير قطب الهيدروجين
حتى يكون مصدر لأيونات الهيدروجين( لآن الحمض هو ملح الهيدروجين )
H2SO4  2H + + SO4-2
HCl  H+ + Cl -
 علل الجهد القياسي للهيدروجين = صفر
لأن فرق الجهد بين عنصر الهيدروجين ومحلول أيوناتة =صفر
قياس الجهد الكهربي لعنصر الخارصين
1- نكون خلية كهربية مكونة من نصف خلية الخارصين
ونصف خلية الهيدروجين القياسية
2-نغلق الدائرة
3-نلاحظ انحراف مؤشر الفولتميتر فى إتجاة يدل على أن
التيار الكهربي يمر من الخارصين إلى الهيدروجين ويسجل
قراءة 76,0 فولت
-الخارصين يعمل آنود والهيدروجين يعمل كاثود
- فرق الجهد الحادث هو جهد تأكسد الخارصين لأن جهد الهيدروجين = صفر
Zn  Zn + 2 + 2e
الرمز الاصطلاحي للخلية Zn / Zn + 2 // H+/ Pt+H21atom.)
جهد تاكسد الخارصين القياسى = -76,0 فولت
جهد اختزال الخارصين القياسى = 76,0 فولت
قياس الجهد الكهربي للنحاس
1- نكون خلية كهربية مكونة من
نصف خلية النحاس ونصف خلية
الهيدروجين القياسية
2-نغلق الدائرة
3-نلاحظ انحراف مؤشر الفولتميتر فى إتجاة يدل على أن
التيار الكهربي يمر من الهيدروجين إلى النحاس ويسجل
قراءة 34,0 فولت
الاستنتاج :-
-الهيدروجين يعمل كآنود والنحاس يعمل كاثود
-فرق الجهد الحادث هو جهد اختزال النحاس لأن جهد الهيدروجين = صفر
الرمز الاصطلاحي للخلية Pt+H21atom.)/H+// Cu +2 / Cu
جهد اختزال النحاس القياسى = 34,0 فولت
جهد تاكسد النحاس القياسى = -34,0 فولت
حساب القوة الدافعة الكهربية للخلية
1- ق د ك = جهد تأكسد الآنود + جهد اختزال الكاثود
2-ق د ك =جهد تأكسد الآنود ـ جهد تأكسد الكاثود
حساب فرق الجهد الكهربي بين قطب النحاس والخارصين
ق د ك =جهد تأكسد الخارصين ـ جهد تاكسد النحاس
= 76و ـ ( ـ 34و ) = 76و + 34و =1و1 فولت
ق د ك = جهد تأكسد الخارصين + جهد اختزال النحاس
=76و + 34و= 1و1 فولت
 الجهد القياسي للعنصر
هو جهد العنصر عندما يوضع فى محلول عياري لأيوناته
السلسلة الكهروكيميائية
 سلسلة الجهود الكهربية للعناصر
-ترتيب العناصر ترتيبا تنازليا حسب جهود الاختزال السالبة وتصاعديا بالنسبة لجهود التاكسد الموجبة بحيث تكون اكبر القيم السالبة فى اعلى السلسلة واكبر القيم الموجبة فى اسفلها
-ترتيب العناصر ترتيبا تبعا لجهود الاكسدة القياسية ترتيبا تنازليا بالنسبة للجهود الموجبة وترتيبا تصاعديا بالنسبة للجهود السالبة
 النتائج المتربة على دراسة سلسلة الجهود الكهربية للعناصر
 العناصر ذات الجهود الاكثر سالبةوالتى تقع عند قمة السلسلة :-
تعتبر عوامل مختزلة قوية لانها تفقدالكترونات بسهولة فتتاكسد بسهولة عندما تدخل فى تفاعل مع ايونات اى عنصر يحتل مكانة ادنى فى سلسلة الجهود الكهربية
 العناصر ذات الجهود الاكثر ايجابية والتى تقع عند النهاية السفلى فى السلسلة :-
تعتبر الصورة المتاكسدة لها اى عنما تكون الفلزات على هيئة ايونات وتكون اللافلزات فى حالتها العنصرية تكونعوامل مؤكسدة قوية مثل جزيئات غاز( الفلورF2 ) اى انها تكون ذات قدرةاكبر على اكتساب الكترونات عتندما تدخل فى تفاعل كيميائى مع اى عنصر يحتل مكانة اعلى فى سلسلة الجهود
 العناصر المتقدمة فى المتسلسلة :-
تحل محل العناصر التى تليها فى محاليل املاحها وكلما زاد البعد فى الترتيب بين عنصرين كلما زادت قدرة العنصر المتقدم (ذو الجهد الاكثر سالبية او الاقل ايجابية ) على طرد العنصر المتاخر (ذو الجهد الاكثر سالبية والاقل ايجابية )من مركباتة
 العناصر التى تقع فوق الهيدروجين
تحل محل ايونات الهيدروجين فى المحاليل الحامضية ( اى يتصاعد الهيدروجين)
Fe0+2HCl  Fe+2Cl2-1 +H20
وكلما ذادت القيمة السالبة للجهد زاد الميل نجو الاحلال محل ايونات الهيدروجين
 العناصر التى تقع تحت الهيدروجين
-تكون ذات جهود موجبة لاتحل محل ايونات الهيدروجين فى محاليلة
حساب القوة الدافة الكهربية :-
هى الفرق بين جهدى الاختزال لنصفى الخلية
هى الفرق بين جهدى الاكسدة لنصفى الخلية
هى مجموع جهدى الاكسدة والاختزال لنصفى الخلية
ملاحظات
 عند توصيل قطبين مختلفين بسلك فى خلية جلفانية فإن :-
-القطب الذي جهد تأكسدة أعلى تحدث عندة عملية الأكسدة وتصبح آنود
-القطب الذي جهد تأكسدة أقل تحدث عندة عملية الاختزال وتصبح كاثود
 للحصول على طاقة كهربية ذاتية ناتجة من تفاعل تلقائي يجب أن تكون
- قيمة القوة الدافعة الكهربية(مجموع جهد تأكسد الآنود واختزال الكاثود) موجبة
- إذا كانت مجموع قيمتي جهد تأكسد الآنود واختزال الكاثود سالبة فلا يمكن الحصول على طاقة كهربية
- إذا كانت مجموع قيمتي جهد تأكسد الآنود واختزال الكاثود موجبة يمكن الحصول على طاقة كهربية
-قيم جهود الأكسدة للعناصر التى تسبق الهيدروجين موجبة
-قيم جهود الأكسدة للعناصر التى تلي الهيدروجين سالبة
-كلما زاد جهد تأكسد العنصر يزداد نشاطه الكيميائي
-القيمة العددية لجهد الأكسدة هي نفس القيمة العددية لجهد الاختزال ولكن بإشارة مخالفة
5-جميع الفلزات التى يكون جهد تأكسدها أعلى من جهد تأكسد الهيدروجين
تحل محلة فى الأحماض المخففة والماء لأنها انشط منه
2Na + 2H-OH  2NaOH + H2
2Na + 2HCl  2NaCl + H2
6 -كلما ذاد جهد التأكسد القياسي للعنصر يصبح عامل مختزل قوى
Al + Fe2O3  Al2O3 + Fe
-الألومنيوم عامل مختزل قوى لأن جهد أكسدته عالي فيحدث لة عملية أكسدة
مثال -جهد أكسدة الصوديوم = 714و1 فولت
-جهد أكسدة الخارصين = 763و فولت
-الصوديوم عامل مختزل أقوى من الخارصين
 علل الخارصين يسبق الهيدروجين بينما النحاس يلي الهيدروجين
لأن جهد أكسدة الخارصين أعلى من جهد أكسدة الهيدروجين ولكن جهد أكسدة النحاس أقل من جهد أكسدة الهيدروجين
علل الليثيوم من أقوى العوامل المختزلة
لأن جهد أكسدته عالي جدا فيحدث لة عملية أكسدة
 علل الفلور من أقوى العوامل المؤكسدة
لأن جهد إختزالة عالي جدا فيحدث له عملية اختزال فيكون عامل مؤكسد قوى
 علل لحماية الحديد من الصدأ يغطى الحديد بقطعة من الماغنسيوم أو الخارصين
لأنة يتكون خلية جلفانية يكون فيها الخارصين أو الماغنسيوم الأنود التي تحدث عندة عملية الأكسدة والحديد هو الكاثود التى تحدث عندة عملية الاختزال وذلك لأن كل من الماغنسيوم والخارصين أنشط من الحديد فلا يتآكل الحديد
 علل تختزل الكتيونات عند الكاثود وتتأكسد الأنيونات عند الأنود
تختزل الكاتيونات لأنها تكتسب إلكترونات وتتأكسد الأنيونات لأنها تفقد إلكترونات
علل يصدأ الحديد المطلي بالقصدير عند الخدش أسرع من الحديد العادي
لأن القصدير يلى الحديد فى متسلسلة النشاط الكيميائي وأقل منة فى النشاط عند خدش الحديد يتكون خلية جلفانية يكون الحديد فيها الأنود التي تحدث عندة عملية الأكسد ة والقصدير هو الكاثود التى تحدث عندة عملية الاختزال فتسرع من تأكل الحديد
علل يزداد ثبات المركبات للعنصر حراريا بزيادة نشاط العنصر
لأنة كلما زاد جهد تأكسد العنصر يعنى سهولة تأكسدة فيزداد نشاطه الكيميائي فيكون مركباته ثابتة ويصعب تحللها حراريا
علل لا تحفظ نترات الفضة فى آواني من النحاس
لأن النحاس أنشط من الفضة وذلك لأن جهد أكسدة النحاس أعلى من الفضة فيحل النحاس محل الفضة فى محلول أملاحه
Cu + 2AgNO3  Cu ( NO3 ) 2 + 2Ag
Cu  Cu + 2 ( أكسدة )
Ag + + 2e  2Ag (اختزال )
س: وضح كيف يمكن التنبؤ بحدوث تفاعل تلقائي أم لا
1- نحدد القطب الذي يكون عندة جهد تأكسد أكبر فيكون آنودا
2- نحدد القطب الذي يكون عندة جهد تأكسد أقل يكون كاثودا
3- ق د ك = جهد أكسدة الآنود + جهد اختزال الكاثود
جهد أكسدة الكاثود =جهد اختزال الكاثود بالسالب
-إذا كانت قيمة ق د ك موجبة يحدث تلقائي
-إذا كانت قيمة ق د ك سالبة لايحدث تفاعل تلقائي

مسائل محلولة
1- ثلاث عناصر جهود اختزالها هى (أ= 0.8 ، ب= -0.4 ، جـ =-01.
أ- اى هذة العناصر يقع بعد الهيدروجين فى المتسلسلة الكهربية العنصر أ
2-رتب مركبات هة العناصر من حيث تحللها بالحرارة من الاسهل للاصعب أ < ب < جـ
3-احد هذة العناصر عامل مختزل قوى فما هو ولماذا العنصر
(جـ) لآن جهد اكسدتة عالى والعامل المختزل يحدث لة اكسدة
- احد هذة العناصر عامل مؤكسد قوى العنصر فما هو ولماذا
العنصر (أ ) لآن جهد اختزالة عالى والعامل المؤكسد يحدث لة اختزال
===========================================================
2-هل يمكـن حــدوث التفاعـــل الآتي تلقائيــا أم لا
Br 2 + 2NaCl  2NaBr + Cl2
-إذا علمت أن جهد أكسدة الكلور=- 36و1 فولت وجهد أكسدة البروم = + 6و1 فولت
Br2 0 + 2Na+1 Cl-1  2Na+1 Br -1 + Cl2
*Br2 0  Br –1
*Cl-1  Cl2
- الشحنات السالبة ذادت على البروم حدث لة عملية اختزال فيكون هو الكاثود
-الشحنات السالبة قلت على الكلور حدث لة عملية أكسدة فيكون آنود
ق د ك = جهد أكسدة الآنود + جهد اختزال الكاثود = ـ 36و1 + (+ 60و1) = ـ 3و فولت
نظرا قيمة ق د ك سالبة لا يحدث تفاعل تلقائي
=========================================================
3-س ماهى أفضل العوامل المختزلة فيما يلى علما بان الجهود الموضحة جهود اختزال:
1- النحاس = +34و فولت 2- الألومنيوم =-67و1 فولت
3-الخارصين = -76و فولت 4- الصوديوم = -271و2 فولت
العنصر النحاس الألومنيوم الخارصين الصوديوم
جهد الإختزال +34و ـ67و1 ـ76و ـ271و2
جهد الأكسدة -34و 67و1 76و 271و2
-العامل المختزل عنصر يحدث لة أكسدة
- نظرا لأن الصوديوم أعلاهم جهد أكسدة فيحدث لة أكسدة أسرع من الآخرين فيكون أفضلهم عامل مختزل
===========================================================

4- اأحسب فرق الجهد الناتج من التفاعلات الآتيه بالفولت اذا علمت ان -جهد اختزال الماغنسيوم = ـ 363 و2 فولت وجهد أكسدة الكلور = -6و1 فولت وجهد اختزال البروم = 065و1 فولت موضحا هل التفاعل يحدث تلقائي أم لا
1-Mg + Cl2  Mg+2 + 2Cl- 2- Cl2 + 2Br-  Br2 + 2Cl –
- اولا التفاعل
Mg + Cl2  Mg+2 + 2Cl-
Mg  Mg+2 +2e (أكسدة)
Cl2  2Cl- - 2e (ختزال)
-الماغنسيوم حدث لة عملية الأكسدة فهو يمثل الأنود
-الكلور حدث لة عملية اختزال فهو يمثل الكاثود
ق د ك = جهد أكسدة الأنود + جهد اختزال الكاثود = 363و2 + 36و1= 723 و3 فولت
(يحدث تفاعل تلقائي )
ثانيا التفاعل
Cl2 + 2Br  Br2 + 2Cl –
2Br - -2e  2Br (Br2) (اكسدة)
Cl2 +2e  2Cl-
-البروم فقد إلكترونات حدث لة عملية أكسدة ويمثل الآنود
-الكلور أكتسب إلكترونات حدث لة عملية اختزال يمثل الكاثود
ق د ك = جهد أكسدة الأنود + جهد اختزال الكاثود = - 1.065+ 1.60 = 0.535 فولت
-يحدث تفاعل تلقائي لأن ق د ك موجبة
===========================================================
5-:ما هو أفضل العوامل المؤكسدة فيما يلى علما
النحاس الكلور الخارصين الكبريتات
جهد الإختزال .34 1.36 -.76 2-
جهد الأكسدة -.34 -1.36 .76 2+
Cu+2 / Cu= 0.34 V ( Cu+2 +2e  Cu )
Cl2 / Cl –2 = 1.36 V ( Cl2 +2e 2Cl-1)
Zn+2 / Zn = 0.76 V ( Zn+2 +2e  Zn)
SO4-2 / SO2 = +2 V ( SO2_-2  SO2 )
-نظرا لأن الكلور أعلاهم جهد اختزال فيحدث لها عملية اختزال بذلك يكون
الكلور أفضل العوامل المؤكسدة لأن العامل المؤكسد مادة تحدث لها عملية اختزال
===========================================================
6-الرمز التالي يمثل خلية جلفانية قياسية
Mn / Mn+2 soln // Zn +2 soln / Zn
1-وضح إتجاة سريان الإلكترونات فى الدائرة الخارجية
2-أكتب معادلة التفاعل فى كل من نصفى الخلية الأنود والكاثود
3-أكتب معادلة التفاعل الكلى
-حركة الالكترونات :-تسير الإلكترونات فى السلك من المنجنيز إلى الخارصين
معادلة تفاعل الكاثودMn  Mn+2 + 2e
معادلة تفاعل الآنود Zn +2 + 2e  Zn
معادلة التفاعل الكلى Mn + Zn +2  Mn+2 Zn
===========================================================
7-إذا كانت جهود الاختزال القياسية لكل من المنجنيز والخارصين و الحديد هى 1.03 ، -76و 0 ، - 41و 0 فولت على الترتيب فآي من التفاعلات الآتية يحدث
Fe + Zn+2  Fe+2 + Zn
Fe+ Mn +2  Fe+2 + Mn
Zn + Mn+2  Zn+2 + Mn
Mn+ Zn+2  Mn+2 + Zn
العنصر منجنيز خارصين حديد
جهد الأكسدة -1.032 0.76 0.41
جهد الإختزال 1.03 -0.76 -0.41
- Fe + Zn+2  Fe+2 + Zn
فى هذا التفاعل حدث اكسدة للحديد واختزال للخارصين
فيكون الحديد هو الأنود والخارصين هو الكاثود
ق د ك = جهد أكسدة الأنود + جهد اختزال الكاثود
= 0.41 + - 0.67 = - 35 هذا التفاعل لايحدث
- Fe+ Mn +2  Fe+2 + Mn
في هذا التفاعل حدث اكسدة للحديد واختزال للمنجنيز فيكون الحديد أنود والمنجنيز كاثود
ق د ك = جهد أكسدة الأنود + جهد اختزال الكاثود
= 0.41 + 1.03 = 1.44 فولت تلقائى
Zn + Mn+2Zn+2+Mn
فى هذا التفاعل حدث اكسدة للخارصين واختزال للمنجنيز فيكون الخارصن آنود والمنجنيز كاثود
ق د ك = جهد أكسدة الأنود + جهد اختزال الكاثود= 0.76 + 1.03 = 1.79 فول يحدث تلقائى
===========================================================

H2 ( Pt) / 2H +1soln // Cu+2 soln / Cu 8-خليــة جلفانيــة رمزهــا الاصطلاحي
1-ارسم الخلية الجلفانية موضحا الكاثود والآنود
2-وضح التفاعل الذي يحدث عند كل من الكاثود والآنود
3-أكتب التفاعل الكلى الحادث فى الخلية
4-إذا كان جهد اختزال النحاس القياسي =34و فولت احسب ق د ك( القوة المحركة للخلية)
-التفاعل الذي يحدث عند الآنود
H2  2H+ +2e
-التفاعل الذي يحدث عند الكاثود
Cu+2 +2e  Cu (اختزال)
-التفاعل الكلى الحادث
H2 + Cu+2 Cu + 2H+(اكسدة)
ق د ك = جهد أكسدة الأنود + جهد اختزال الكاثود= صفر + 34و = 34و فولت
===========================================================
9-خلية جلفانية أحد أقطابها العنصر A والقطب الآخر العنصر B إذا كان جهد اختزال العنصر A = ـ2 وجهد اختزال العنصر B= + 7 أى العنصرين يعمل آنود وأيهما يعمل كاثود
جهد تأكسد العنصر A أعلى من تأكسد العنصرB
-العنصر Bيعمل كاثود -العنصر A أنود
-أى العنصرين يمكن أن يحل محل الآخر
العنصر B يحل محل العنصر A فى املاحة
ق د ك = جهد أكسدة الآنود + جهد اختزال الكاثود=7 + ـ2= 5 فولت
===========================================================
10-إذا كان جهود الاختزال القياسية للعنصر X هي
X - e  X+1 جهد الاختزال= - 35و فولت
X+ - e  X + 2 جهد الاختزال= - 25و فولت
-هل يمكن للعنصر X الذوبان فى محلول مائي تركيز أيونات الهيدروجين فية 1 مول/ لتر ويتصاعد غاز الهيدروجين
-إذا حدث ذوبان للعنصر هل الأيون الناتج هو X+1 أم X+2
الحـــــل
-جهد أكسدة العنصر X+  X = 35و فولت
-جهد الخلية = جهد أكسدة العنصر X + جهد اختزال الهيدروجين
X  X X+2  =35و + ـ 25و = 1و فولت
-جهد الخلية فى الحالة الأولى أكبر من جهد الخلية فى الحالة الثانية
- يحدث ذوبان للعنصر X ويتكون الأيون X+
===========================================================
11-وضح لماذا يتكون كلوريد الحديد +2 ولايتكون كلوريد الحديد +3 عند تفاعل برادة الحديد مع حمض الهيدروكلوريك المخفف من دراستك للتفاعلات الآتية
Fe  Fe+2 +2e فولت جهد الأكسدة =9و4
H2  2H + + 2e فولت جهد الأكسدة صفر
Fe+2  Fe +3 + e جهد الأكسدة = -77و فولت
الحل
Fe0 +2H+Cl -  Fe+2 Cl - + H20
Fe0  Fe +2 (اكسدة)
2H+ 2e  H20 (اختزال)
جهد الخلية =جهد أكسدة الآنود+جهد اختزال الكاثود =409و+صفر=0.409فولت هذا التفاعل يتم تلقائي لأن قيمة ق د ك موجبة
-جهد أكسدة Fe  Fe+2  Fe+3
=409و + ـ 770و = ـ261و فولت
جهد الخلية=جهد أكسدة الآنود +جهد اختزال الكاثود=-0.261+صفر= ـ261و فولت
هذا التفاعل لا يحدث تلقائي لأن قيمة (ق0د0ك) سالبة
===========================================================