ملخص الكيمياء تانية ثانوي، الترم الأول الخلية الكهروكيميائية (2) (خلايا متنوعة)

أهداف التعلم

1. تعريف الخلية الكهروكيميائية وتحديد مكوّناتها الأساسية.
2. شرح آلية عمل بطارية الرصاص‑الحمضية (Lead‑acid battery) وخلية الوقود (Fuel cell).
3. كتابة رموز الخلايا (cell notation) وتوازن التفاعلات عند الأنود والكاثود.
4. حساب كمية الشحنة الكهربائية المتولدة باستخدام ثابت فاراداي.
5. تمييز عمليات الأكسدة والاختزال وربطها بنقل الإلكترونات.
6. مقارنة خصائص بطاريات الرصاص‑الحمضية مع خلايا الوقود من حيث الأداء والبيئة.

---

المصطلحات والتعريفات الكيميائية

---

التفاعلات والمعادلات الكيميائية

1. بطارية الرصاص‑الحمضية

رمز الخلية

(-) Pb | H₂SO₄(aq) | PbO₂ (+)

تفاعل الأنود (أثناء التفريغ)

Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻

نوع التفاعل: أكسدة (فقدان رصاص للإلكترونات).

تفاعل الكاثود (أثناء التفريغ)

PbO₂ + 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O

نوع التفاعل: اختزال (أكسيد الرصاص يكتسب إلكترونات).

التفاعل الكلي

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O

نوع التفاعل: أكسدة‑اختزال شاملة.

الشروط

• درجة حرارة الغرفة تقريبًا.
• وجود محلول حمض الكبريتيك المخفف (≈ 30 % وزن).

الملاحظة

• يقل تركيز H₂SO₄ مع التفريغ لأن جزءًا منه يتحول إلى ماء.
• يُنتج راسب أبيض من PbSO₄ على صفيحات الأنود والكاثود.

2. خلية الوقود (نوع حمض الفوسفوريك)

رمز الخلية

(-) H₂ | H₃PO₄(aq) | O₂ (+)

تفاعل الأنود

H₂ → 2H⁺ + 2e⁻

نوع التفاعل: أكسدة (هيدروجين يفقد إلكترونات).

تفاعل الكاثود

O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

نوع التفاعل: اختزال (أكسجين يكتسب إلكترونات).

التفاعل الكلي

2H₂ + O₂ → 2H₂O

نوع التفاعل: احتراق هيدروجين مع إنتاج ماء فقط.

الشروط

• إلكتروليت حمض الفوسفوريك (H₃PO₄) بتركيز متوسط.
• درجة حرارة تشغيل 60‑80 °C (حسب نوع الخلية).

الملاحظة

• لا يُنتج أي غاز أو راسب غير ماء؛ لذا تُعد صديقة للبيئة.

3. علاقة كمية الشحنة بثابت فاراداي

المعادلة

Q = F × n(e⁻)

حيث:

• Q = الشحنة (C).
• F = ثابت فاراداي ≈ 9.65 × 10⁴ C / mol.
• n(e⁻) = عدد مولات الإلكترونات المتنقلة.

مثال عددي (من النص): إذا تغير 1.0 mol من Pb بالكامل أثناء التفريغ، ينتج 2.0 mol من e⁻، وبالتالي

Q = 9.65×10⁴ C/mol × 2.0 mol = 1.93×10⁵ C

---

الخواص والتركيب

---

التطبيقات والاستخدامات

1. بطاريات الرصاص‑الحمضية

   • تشغيل محركات السيارات لتوفير طاقة بدء التشغيل.
   • أنظمة الطاقة الاحتياطية (UPS) في المستشفيات ومراكز البيانات.
   • عربات الجر الكهربائية الصغيرة.

2. خلية الوقود

   • حافلات ومركبات هيدروجينية تُنتج كهرباء أثناء السير، مع انبعاث ماء فقط.
   • مولدات ثابتة لتزويد المباني بالطاقة في المناطق النائية.
   • تطبيقات فضائية (محطات طاقة للبعثات طويلة الأمد).

---

جدول مقارنة

---

مسائل محلولة

مسألة 1 – حساب الشحنة المتولدة من بطارية رصاص‑حمضية

المعطيات: 1.0 mol من Pb يتفاعل بالكامل أثناء التفريغ. ثابت فاراداي F = 9.65 × 10⁴ C/mol.

الحل:

• من تفاعل الأنود نعرف أن كل مول من Pb ينتج 2 mol من e⁻.
• عدد مولات الإلكترونات = 1.0 mol × 2 = 2.0 mol.
• الشحنة المتولدة:

  Q = F × n(e⁻) = 9.65×10⁴ C/mol × 2.0 mol = 1.93×10⁵ C
  

• النتيجة ≈ 1.9 × 10⁵ C.

مسألة 2 – حساب كمية الماء المتكون في خلية الوقود عند مرور 5 A لمدة 10 s

المعطيات: التيار I = 5 A، الزمن t = 10 s، ثابت فاراداي F = 9.65 × 10⁴ C/mol.

الخطوات:

1. حساب الشحنة المتدفقة: Q = I × t = 5 A × 10 s = 50 C.
2. عدد مولات الإلكترونات المتنقلة: n(e⁻) = Q ÷ F = 50 C ÷ 9.65×10⁴ C/mol ≈ 5.18 × 10⁻⁴ mol.
3. كل 4 e⁻ تُنتج جزيء ماء واحد (من تفاعل الكاثود). لذا عدد مولات H₂O = n(e⁻) ÷ 4 ≈ 1.30 × 10⁻⁴ mol.
4. كتلة الماء المتكونة: m = n × M(H₂O) = 1.30 × 10⁻⁴ mol × 18 g/mol ≈ 2.3 × 10⁻³ g.

النتيجة: ينتج تقريبًا 2.3 mg من الماء.

---

تنبيهات الامتحان (أخطاء شائعة)

1. خلط الأنود والكاثود عند كتابة رموز الخلية؛ الأنود هو القطب السالب أثناء التفريغ.
2. إهمال عدد الإلكترونات في حساب الشحنة؛ يجب مضاعفة عدد المولات حسب عدد e⁻ في كل تفاعل.
3. استخدام ثابت فاراداي غير الصحيح؛ القيمة المتعارف عليها في المناهج هي 9.65 × 10⁴ C/mol (ليس 9.65 × 10⁵).
4. نسيان حالة الشحن؛ أثناء الشحن تحدث التفاعلات العكسية، لذا يجب الإشارة إلى أن PbSO₄ يتحول إلى Pb و PbO₂.

---

قائمة المراجعة قبل الامتحان

• [ ] تعريف الخلية الكهروكيميائية ومكوناتها.
• [ ] معرفة الفرق بين الأنود والكاثود في حالة التفريغ والشحن.
• [ ] كتابة رموز الخلايا للبطارية الرصاصية وخلية الوقود بدقة.
• [ ] موازنة معادلات الأكسدة والاختزال لكل خلية.
• [ ] حساب عدد الإلكترونات المتنقلة من المعادلة المتوازنة.
• [ ] تطبيق علاقة Q = F × n(e⁻) لحساب الشحنة.
• [ ] معرفة تأثير التفريغ على تركيز الإلكتروليت (انخفاض H₂SO₄).
• [ ] توضيح كيف يُعاد شحن بطارية الرصاص‑الحمضية (عكس التفاعلات).
• [ ] مقارنة كفاءة الطاقة والبيئة بين البطارية والخلية.
• [ ] القدرة على تحويل مسألة نصية إلى معادلة كيميائية ثم إلى حساب كمي.
• [ ] مراجعة وحدات الشحنة (Coulomb) والتيار (Ampere) والزمن (second).
• [ ] حفظ ثابت فاراداي والقيمة العددية المستخدمة في الامتحان.

---

جميع المعادلات دفعة واحدة

(-) Pb | H₂SO₄(aq) | PbO₂ (+)                     // رمز بطارية الرصاص‑الحمضية
Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻                         // أنود (تفريغ)
PbO₂ + 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O        // كاثود (تفريغ)
Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O            // تفاعل كلي

(-) H₂ | H₃PO₄(aq) | O₂ (+)                     // رمز خلية الوقود (حمض الفوسفوريك)
H₂ → 2H⁺ + 2e⁻                                   // أنود
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O                           // كاثود
2H₂ + O₂ → 2H₂O                                 // تفاعل كلي

Q = F × n(e⁻)                                   // علاقة الشحنة بثابت فاراداي
Q = I × t                                      // شحنة التيار (I بالأمبير، t بالثواني)
n(e⁻) = Q ÷ F                                   // عدد مولات الإلكترونات من الشحنة

---

بالتوفيق في امتحاناتك!