Télécharger

Report
‫التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة‬
‫‪Transformations spontanées dans les‬‬
‫‪piles et récupération de l’énergie‬‬
‫‪ ‬نشاط ‪ :1‬االنتقال التلقائي إللكترونات بين أنواع كيميائية مختلطة‬
‫أي‪ Qr,i<K :‬إذن نتوقع تطور المجموعة في المنحى المباشر‪.‬‬
‫‪ .1‬لدينا‪:‬‬
‫وهو ما يتوافق مع منحى التطور المالحظ في التجربة‪.‬‬
‫‪ .2‬خالل هذا التحول ال يتم انتقال االلكترونات إال عند التقاء المؤكسد والمختزل‪.‬‬
‫‪ .I‬االنتقال التلقائي لاللكترونات‬
‫‪ .1‬االنتقال التلقائي المباشر‬
‫عند مزج األنواع الكيميائية لمزدوجتين مختزل‪/‬مؤكسد‪ ,‬يحدث انتقال تلقائي ومباشر لاللكترونات بين‬
‫مؤكسد مزدوجة ومختزل األخرى‪ .‬وذلك بالتوافق مع منحى التطور التلقائي المتوقع بناء على معيار التطور‬
‫التلقائي‪.‬‬
‫‪ ‬نشاط ‪ :2‬تفاعل أكسدة اختزال بين أنواع كيميائية منفصلة‬
‫‪.1‬‬
‫‪ .2‬على مستوى صفيحة الزنك تتأكسد ذرات ‪ Zn‬فتحرر إلكترونين‪.‬‬
‫على مستوى صفيحة النحاس ُتختزل أيونات النحاس‪ II‬مكتسبتا إلكترونين‪.‬‬
‫نالحظ أن انتقال االلكترونات من المختزل إلى المؤكسد في هذه التجربة غير مباشر‪.‬‬
‫التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة‬
‫‪.2‬‬
‫االنتقال التلقائي غير المباشر‬
‫عندما تكون األنواع الكيميائية منفصلة يتم االنتقال التلقائي‬
‫لاللكترونات بين األنواع الكيميائية لمزدوجتين مختزل‪/‬مؤكسد بطريقة غير‬
‫مباشرة‪ ,‬وذلك عبر دارة كهربائية خارجية‪.‬‬
‫ملحوظة‪ :‬ال يحدث التحول الكيميائي بين المزدوجتين إال بعد ربطهما بقنطرة ملحية‪,‬‬
‫وهي تحافظ على فصل المحلولين مع السماح بهجرة األيونات لضمان‬
‫الحياد الكهربائي للمحلولين ومرور التيار الكهربائي‪.‬‬
‫‪ ‬نشاط ‪ :3‬قياس القوة الكهرمحركة لعمود‬
‫‪ .1‬القطب الموجب للعمود هو صفيحة النحاس والقطب السالب هو صفيحة النحاس‪.‬‬
‫منحى التيار الكهربائي من القطب الموجب نحو السلب خارج المولد وهو ما يوافق قطبية المولد‪.‬‬
‫‪ .2‬التوتر المقاس بين الصفيحتين يمثل القوة الكهرمحركة للعمود‪.‬‬
‫‪ .I‬تكوين واشتغال عمود‬
‫‪ .1‬تكوين عمود‬
‫‪ .a‬تعريف العمود‬
‫العمود هو ثنائي قطب يحول الطاقة الكيميائية إلى الطاقة الكهربائية‪.‬‬
‫‪ .b‬مكونات عمود‬
‫يتكون عمود من نصفي عمود مرتبطين كهربائيا بواسطة قنطرة ملحية‪ .‬يحتوي كل نصف عمود‬
‫على مؤكسد ومختزل مزدوجة‪.‬‬
‫التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة‬
‫نسمي نصف عمود مجموعة مكونة من سلك أو صفيحة من فلز )‪M(s‬‬
‫‪.‬‬
‫يدعى إلكترودا مغمورا في محلول الكتروليتي يحتوي على األيونات‬
‫‪.2‬‬
‫اشتغال عمود‬
‫خالل اشتغال عمود‪:‬‬
‫حسب نصف المعادلة‪:‬‬
‫‪ ‬الفلز ‪ M1‬يتأكسد إلى أيونات‬
‫هذه األكسدة هي التي تمنح االلكترونات إلى الدارة الخارجية‪ .‬ويسمى اإللكترود الذي تحدث‬
‫على مستواه هذه األكسدة آنودا‪.‬‬
‫ُتختزل إلى الفلز ‪ M2‬حسب نصف المعادلة‪:‬‬
‫‪ ‬الكاتيونات‬
‫ترد االلكترونات الالزمة لهذا االختزال من الدارة الخارجية‪ .‬ويسمى اإللكترود الذي يحدث‬
‫على مستواه هذا االختزال كاتودا‪.‬‬
‫أي أنه خالل اشتغال العمود يحدث تفاعل أكسدة‪-‬اختزال حسب المعادلة ‪:‬‬
‫تنتقل االلكترونات في الدارة الخارجية من اآلنود فيكون هو القطب السالب إلى الكاتود فيكون هو القطب‬
‫الموجب‪.‬‬
‫في القنطرة الملحية تنتقل األنيونات نحو نصف العمود اآلنودي والكاتيونات نحو نصف العود الكاتودي‪.‬‬
‫وبالتالي نمثل هذا العمود بالتبيانة االصطالحية التالية ‪:‬‬
‫التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة‬
‫‪ .3‬مميزات عمود‬
‫يتميز العمود مثل كل مولد بالمميزات التالية‪:‬‬
‫‪ ‬ثنائي قطب مستقطب أي يتوفر على قطب موجب وقطب سالب‪.‬‬
‫‪ ‬قوة كهرمحركة ‪ E‬نقيسها بربط الفولطمتر بين مربطي العمود‪.‬‬
‫‪ ‬مقاومة داخلية تتحدد انطالقا من خط المميزة‪.‬‬
‫‪ ‬يحقق قانون أوم‪ U=E-r.I :‬وفق اصطالح المولد‪.‬‬
‫‪ .III‬التطور التلقائي لعمود‬
‫‪ ‬أثناء االشتغال يكون العمود عبارة عن مجموعة كيميائية في حالة مخالفة لحالة التوازن‪.‬‬
‫‪ ‬يُمكن معيار التطور التلقائي من تحديد منحى انتقال حمالت الشحن الكهربائية‪.‬‬
‫‪ ‬عند الوصول إلى حالة التوازن ‪ Qr=K‬ال تتطور المجموعة وبالتالي ال يولد العمود تيارا كهربائيا‬
‫)‪ (I=0‬فنقول أن العمود مُستهلَك‪.‬‬
‫تمرين تطبيقي‪ :‬ننجز العمود الممثل جانبه‪.‬‬
‫يشير الفولطمتر إلى توتر سالب‪.‬‬
‫‪ .1‬أعط التبيانة االصطالحية لهذا العمود‪.‬‬
‫‪ .2‬أكتب معادلتي التفاعلين الذين يحدثان على مستوى اإللكترودين‪.‬‬
‫‪ .3‬حدد منحى انتقال مخلف حمالت الشحن‪.‬‬
‫‪ .4‬عند اشتغال العمود كيف يتغير تركيز أيونات الفضة؟ وكيف تتغير كتلة الحديد؟‬
‫التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة‬
‫‪ .1‬التبيانة االصطالحية لهذا العمود هي‪:‬‬
‫‪ .2‬على مستوى إلكترود الحديد يحدث التحول التالي‪Fe = Fe2+ + 2e- :‬‬
‫على مستوى إلكترود الفضة يحدث التحول التالي‪Ag+ + 1e- = Ag :‬‬
‫‪.3‬‬
‫‪ .4‬عند اشتغال العمود يتناقص تركيز أيونات الفضة وكذلك كتلة الحديد‪.‬‬
‫‪ .IV‬الدراسة الكمية لعمود‬
‫‪ .1‬كمية الكهرباء الممنوحة من قبل عمود‬
‫كمية الكهرباء الممنوحة من قبل عمود أثناء اشتغاله تساوي القيمة المطلقة للشحنة الكلية لاللكترونات‬
‫المتبادلة‪Q=n(e-).NA.e=n(e-).F .‬‬
‫حيث‪ :n(e-) :‬كمية مادة االلكترونات المتبادلة بالمول‪.‬‬
‫‪ :NA=6.02 1023mol-1‬ثابتة أفوكادرو‪.‬‬
‫‪ :e=1.6 10-19C‬الشحنة االبتدائية‪.‬‬
‫‪ :F=NA.e=9.65 104C.mol-1‬الفارداي وهي القيمة المطلقة لشحنة مول واحد من االلكترونات‪.‬‬
‫يعبر أيضا عن كمية الكهرباء الممنوحة من قبل عمود يزود الدارة بتيار كهربائي شدته ‪ I‬ثابتة خالل‬
‫مدة ‪ ∆t‬بالعالقة‪Q=I.∆t :‬‬
‫ملحوظة‪ :‬عندما تصل المجموعة المكونة للعمود إلى حالة التوازن تكون كمية مادة االلكترونات المتبادلة قصوية‪.‬‬
‫‪Qmax=I.∆tmax‬‬
‫حيث‪ :∆tmax :‬المدة القصوية الشتغال العمود أو عمر العمود‪.‬‬
‫التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة‬
‫‪ .2‬كميات المادة المستهلكة أو المتكونة في عمود‬
‫نعتبر العمود‪:‬‬
‫‪aRed1 + bOx2‬‬
‫معادلة التفاعل الحاصل أثناء اشتغال العمود هي‪cOx1 + dRed2 :‬‬
‫الجدول الوصفي لتطور هذه المجموعة‪:‬‬
‫‪aRed1 +‬‬
‫‪bOx2‬‬
‫‪cOx1‬‬
‫‪+‬‬
‫‪dRed2‬‬
‫حالة المجموعة تقدم التفاعل‬
‫)‪ni(Red1‬‬
‫)‪ni(Ox2‬‬
‫)‪ni(Ox1‬‬
‫)‪ni(Red2‬‬
‫‪x=0‬‬
‫الحالة البدئية‬
‫‪ni(Red1)-a.x ni(Ox2)-b.x ni(Ox1)+c.x ni(Red2)+d.x‬‬
‫‪x‬‬
‫أثناء التفاعل‬
‫‪ni(Red1)-a.xf ni(Ox2)-b.xf ni(Ox1)+c.xf ni(Red2)+d.xf‬‬
‫‪xf‬‬
‫الحالة النهائية‬
‫باعتبار شدة التيار ‪ I‬تبقى ثابتة خالل مدة االشتغال فإن‪Q=I.∆t=n(e-).F :‬‬
‫انطالقا من نصفي المعادلة أكسدة‪-‬اختزال‪ Red1 = Ox1 + n1e- :‬و ‪Ox2 + n2e- = Red2‬‬
‫نالحظ أن تكون مول واحد من ‪ Ox1‬يصاحبه تبادل ‪ n1‬مول من االلكترونات‪ ,‬أي عند تكون )‪(c.x‬‬
‫مول من ‪ Ox1‬تكون كمية مادة االلكترونات المتبادلة هي‪.n(e-)=n1.c.x :‬‬
‫ومنه‪Q=n1.c.x.F :‬‬
‫وبالتالي‪:‬‬
‫وبنفس الطريقة باعتبار استهالك ‪ Ox2‬نجد‪:‬‬
‫وبالتالي عند استهالك العمود يكون لدينا‪:‬‬
‫التحوالت التلقائية في األعمدة وتحصيل الطاقة‬
‫تمرين تطبيقي‪ :‬نعتبر العمود نحاس‪-‬فضة‪:‬‬
‫تتطور المجموعة خالل مدة‪ ∆t=1min 30s :‬في المنحى المباشر للمعادلة‪:‬‬
‫)‪Cu(s) + 2Ag+ (aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s‬‬
‫حيث يزود العمود الدارة بتيار كهربائي شدته‪I=86.0mA :‬‬
‫‪ .1‬أحسب كمية الكهرباء التي يمنحها العمود خالل هذه المدة‪.‬‬
‫‪ .2‬أحسب تغير كمية مادة )‪ Cu2+(aq‬و )‪ Ag+(aq‬خالل نفس المدة السابقة‪.‬‬
‫‪ .3‬استنتج تغير كتلة الفضة التي ستظهر على إلكترود الفضة‪.‬‬
‫‪ .1‬كمية الكهرباء الممنوحة هي‪:‬‬
‫‪ .2‬لدينا الجدول الوصفي للتفاعل‪:‬‬
‫‪Cu2+(aq) +‬‬
‫)‪2Ag(s‬‬
‫حالة المجموعة تقدم التفاعل‬
‫)‪ni(Cu2+‬‬
‫)‪ni(Ag‬‬
‫‪x=0‬‬
‫الحالة البدئية‬
‫‪ni(Cu2+)+x‬‬
‫‪ni(Ag)+2.x‬‬
‫‪x‬‬
‫أثناء التفاعل‬
‫‪ni(Cu2+)+xf‬‬
‫‪ni(Ag)+2.xf‬‬
‫‪xf‬‬
‫الحالة النهائية‬
‫‪Q = I.∆t = 7.7C‬‬
‫إذن تغير كمية مادة ‪ Cu2+‬هو‪:‬‬
‫وتغير كمية مادة ‪ Ag+‬هو‪:‬‬
‫‪ .3‬كتلة الفضة التي ستظهر على إلكترود الفضة هي‪:‬‬
‫‪ .V‬دراسة بعض األعمدة االعتيادية‬
‫انظر المرفقات (نشاط ‪.)4‬‬
‫)‪Cu(s‬‬
‫)‪+ 2Ag+(aq‬‬
‫)‪ni(Cu‬‬
‫)‪ni(Ag+‬‬
‫‪ni(Cu)-x‬‬
‫‪ni(Ag+)-2.x‬‬
‫‪ni(Cu)-2.xf ni(Ag+)-2.xf‬‬

similar documents