الأفكار الأساسية
تربط الكيمياء الكهربائية التفاعلات الكيميائية بالطاقة الكهربائية. في الخلية الغلفانية ينتج تفاعل أكسدة واختزال تلقائي جهداً، وفي التحليل الكهربائي يدفع تيار مطبّق تفاعلاً.
- تحدث الأكسدة عند المصعد والاختزال عند المهبط. جهد الخلية E°_خلية = E°_مهبط − E°_مصعد، والقيمة الموجبة تعني خلية تلقائية.
- الطاقة الحرة ΔG° = −nFE° حيث F = 96 485 C/mol و n عدد الإلكترونات المنتقلة.
- خارج الشروط القياسية تعطي معادلة نيرنست E = E° − (0.0592 ÷ n) log₁₀ Q عند 25 °C.
- قانون فاراداي للتحليل الكهربائي: مولات الإلكترونات = It ÷ F والكتلة المترسبة m = ItM ÷ (nF).
المعادلات الأساسية
E°_cell = E°_cathode − E°_anodeΔG° = −nFE°E = E° − (0.0592 ÷ n) log₁₀ Q (25 °C)m = ItM ÷ (nF)F = 96 485 C/mol
مثال محلول
للخلية Zn | Zn²⁺ ‖ Cu²⁺ | Cu: E° = 0.34 − (−0.76) = 1.10 V و ΔG° = −2 × 96 485 × 1.10 = −212 kJ/mol. عندما [Zn²⁺] = 1.0 M و [Cu²⁺] = 0.010 M يكون Q = 100 و E = 1.10 − (0.0592 ÷ 2) × log 100 = 1.10 − 0.059 = 1.04 V. طلاء بالنحاس بتيار 2.0 A لمدة 30 min يرسّب m = 2.0 × 1800 × 63.5 ÷ (2 × 96 485) = 1.2 g.
أخطاء شائعة
- طرح الجهود بترتيب خاطئ أو تغيير E° عند ضرب نصف تفاعل في معامل.
- نسيان أن n في صيغتي نيرنست و ΔG هو عدد الإلكترونات في المعادلة الموزونة.
- الخلط بين المصعد والمهبط. تحدث الأكسدة دائماً عند المصعد في الخلايا الغلفانية والتحليلية معاً.
تدرّب
اختبر نفسك بأسئلة تدريبية في هذا الموضوع: الكيمياء الكهربائية