Prof./ Ayman Mansour — Chemistry Consultant
الكيمياء الكهربية
Electrochemistry
كيمياء ٢٠٢٦ — Chemistry 2026
نماذج تفاعلية · شرح تفصيلي · مراجعة شاملة
تتكون خلية جلفانية من القطبين (X) و(Y)، وكانت الإلكترونات تنتقل نحو القطب (Y) أثناء التشغيل. أيٌّ مما يلي صحيح؟
الإلكترونات تنتقل في الخلية الجلفانية من المصعد إلى المهبط.
بما أنها تتحرك نحو القطب Y فإن Y هو المهبط و X هو المصعد.
جهد الاختزال للمصعد أقل من جهد الاختزال للمهبط؛ لذلك جهد اختزال X أقل من Y.
جهود الأقطاب القياسية للقطبين (X) و(Y) موضحة بالمعادلتفي الآتيتين. أيٌّ مما يلي صحيح لخلية كهروكيميائية مكونة من (X) و(Y)؟ X(s) + 2H⁺(1M) → X²⁺(aq) + H₂(g), E° = +0.76 V / Y(s) + 3H⁺(1M) → Y³⁺(aq) + 3/2H₂(g), E° = +1.66 V
المعادلتان المعطاتان تمثلان جهود أكسدة بالنسبة لقطب الهيدروجين القياسي.
القطب Y له جهد أكسدة أكبر، لذلك يعمل مصعدًا.
القوة الدافعة الكهربية = 1.66 - 0.76 = 0.90 V.
عند مرور تيار كهربائي في محلول نترات النحاس (II) باستخدام قطب نحاس نقي متصل بالقطب الموجب للبطارية وقطب حديد متصل بالقطب السالب، أيٌّ مما يلي صحيح؟
عند المهبط تُختزل أيونات Cu²⁺ وتترسب على قطب الحديد.
وعند المصعد يتأكسد النحاس النقي إلى Cu²⁺.
لذلك يظل المحلول متعادلًا كهربياً وتستمر أيونات النحاس في التبادل دون فقد الاتزان الكهربي.
ثلاث خلايا تحليل كهربائي متصلة على السلسلة، بكل منها أقطاب خاملة، وتحتوي على المصهورات: Al₂O₃ و Mg₃N₂ و NaCl. أيٌّ مما يلي يمثل النسبة بين حجوم الغازات المنطلقة من هذه الخلايا؟
| الاختيار | غاز الأكسجين | غاز النيتروجين | غاز الكلور |
|---|---|---|---|
| أ) | 2 | 3 | 1 |
| ب) | 0.166 | 0.250 | 0.330 |
| ج) | 1 | 2 | 3 |
| د) | 0.250 | 0.166 | 0.500 |
الخلايا متصلة على السلسلة، لذلك تمر نفس كمية الكهرباء في جميعها.
عدد الإلكترونات اللازمة لتكوين مول من الغاز: O₂ يحتاج 4 إلكترونات، N₂ يحتاج 6 إلكترونات، Cl₂ يحتاج إلكترونين.
إذن النسبة بين الحجوم = 1/4 : 1/6 : 1/2 = 0.250 : 0.166 : 0.500.
يحدث التفاعل الآتي في نصف خلية جلفانية: Xⁿ⁺ + ne⁻ → X. أيٌّ مما يلي يمثل العنصر (X) واستخدام هذه الخلية؟
| الاختيار | العنصر (X) | استخدام الخلية |
|---|---|---|
| أ) | Hg | سماعات الأذن |
| ب) | Pb | الأجهزة الطبية |
| ج) | H2 | مياه شرب لرواد الفضاء |
| د) | O2 | المركبات الفضائية |
نصف التفاعل Xⁿ⁺ + ne⁻ → X يمثل اختزالًا عند المهبط.
في خلية الزئبق يتكون الزئبق عند المهبط، وهي خلية صغيرة وثابتة الجهد.
لذلك استُخدمت في الأجهزة الصغيرة مثل سماعات الأذن.
أيٌّ مما يلي صحيح أثناء تفريغ خلية أيون الليثيوم؟
أثناء تفريغ خلية أيون الليثيوم تتحرك أيونات Li⁺ من القطب السالب إلى القطب الموجب خلال الوسط الإلكتروليتي.
أما الإلكترونات فتسري في الدائرة الخارجية.
لذلك تتحرك أيونات الليثيوم إلى القطب الموجب.
في التفاعل التلقائي الآتي: Ni(s) + CuCl₂(aq) → Cu(s) + NiCl₂(aq). أيٌّ مما يلي صحيح؟
النيكل أنشط من النحاس، لذلك يستطيع النيكل اختزال أيونات النحاس ويتأكسد هو.
أما النحاس فلا يستطيع إزاحة أيونات النيكل من محاليلها.
لذلك يمكن حفظ محاليل أملاح النيكل في أوعية من النحاس.
جميع الآتي يمكن استخدامه للتمييز بين الكحول الإيثيلي والفينول ما عدا:
ماء البروم يميز الفينول، وكلوريد الحديد (III) يعطي لونًا بنفسجيًا مع الفينول، وبرمنجنات البوتاسيوم المحمضة يمكن أن تؤكسد الكحول.
أما الصوديوم فيتفاعل مع كلٍّ من الكحول الإيثيلي والفينول مطلقًا غاز الهيدروجين.
لذلك لا يصلح الصوديوم للتمييز بينهما.
| نوع من تفاعل | تفاعل معادلة |
|---|---|
| غير تلقائي | كد + Zn²⁺ → Cd²⁺ + زن |
| تلقائي | كد + Cu²⁺ → Cd²⁺ + كو |
دمج كل ثلاثة ديدوكشنس, وي جيت تام تفاعلية ترتيب من موست نشط إلى ليست نشط:
| أقطاب | خلية جهد | توجيه من إلكترون تدفق |
|---|---|---|
| A – في | + 1.4 V | A → في |
| B – في | + 1.05 V | في → B |
| C – في | + 0.5 V | C → في |
| D – في | + 1.7 V | في → D |
بناءً على ون يليكتروتشيميكال نظام بروفيديد في الشكل, هيري هو كومبريهينسيفي خطوة بخطوة كيميائي بريكدوون و تحليل من يليكتروليسيس من مصهور فضة بروميد (AgBr).
هذا قياسي المنهج سيتوب تيبيكاللي اسكس أنت إلى ماتتش صحيح الملاحظة/كتلة تغير مع كل قطب. أنت يمكن مباشرة كونكلودي:
| قطب | قطبية & دور | كيميائي تفاعل نوع | مرئي الملاحظة / نتيجة |
|---|---|---|---|
| قطب B | موجب (+) مصعد | الأكسدة | بني محمر بروم غاز أبخرة ينطلق; كتلة ستايس كونستانت. |
| قطب A | سالب (-) مهبط | الاختزال | فضة فلز هو ديبوسيتيد; كتلة من قطب يزداد. |
فاراداي's قانون: m = (M × I × t) / (n × F)
حيث: M = 23, I = 10 A, t = 10 × 3600 = 36000 s, n = 1 (نا⁺ + e⁻ → نا), F = 96500 C/مول
m = (23 × 10 × 36000) / (1 × 96500) = 8,280,000/96500 = 85.8 g ✓
| الاختيار | نوع قطب Y | نوع الخلية |
|---|---|---|
| أ | مهبط | جلفانية |
| ب | مصعد | إلكتروليتية |
| ج | مصعد | جلفانية |
| د | مهبط | إلكتروليتية |
| (X²⁺/X) | (Y²⁺/Y) | (Z/Z²⁺) | (L/L²⁺) |
|---|---|---|---|
| -0.44 V | +1.5 V | -0.34 V | +1.18 V |
ملاحظة: القيمتان المكتوبتان على صورة Z/Z²⁺ وL/L²⁺ تُعاملان كجهدي أكسدة، لذا تُقلب إشارتهما عند تحويلهما إلى جهود اختزال.
| عنصر | X | Y | Z | W |
|---|---|---|---|---|
| أكسدة الجهد | + 0.126 V | -0.401 V | -1.420 V | +1.67 V |
| الاختيار | نوع الطلاء | مقارنة النشاط | النتيجة |
|---|---|---|---|
| () X حماية مصعدية لـ W | طلاء W بـ X | X أقل نشاطًا من W. (الحماية المصعدية تتطلب فلزًا أكثر نشاطًا). | خطأ |
| (b) Z حماية مصعدية لـ Y | طلاء Y بـ Z | Z أقل نشاطًا من Y. (الحماية المصعدية تتطلب فلزًا أكثر نشاطًا). | خطأ |
| (c) W حماية مهبطية لـ Y | طلاء Y بـ W | W أكثر نشاطًا من Y. (الحماية المهبطية تتطلب فلزًا أقل نشاطًا). | خطأ |
| (d) Y حماية مهبطية لـ X | طلاء X بـ Y | Y أقل نشاطًا من X. هذا يُكوّن طلاءً مهبطيًا ناجحًا. | صحيح |
| الاختيار | (X) | (Y) | (Z) |
|---|---|---|---|
| A | 1 | 0 | 2 |
| B | 2 | 1 | 2 |
| C | 2 | 2 | 1 |
| D | 1 | 2 | 2 |
| البطارية | الكثافة | الحالة | الدور |
|---|---|---|---|
| X | 1.19 g/cm³ (منخفض) | مفرّغ | إلكتروليتية (كونه مشحون) |
| Y | 1.29 g/cm³ (عالٍ) | مشحون | جلفانية (تفريغ) |
| ملح | M / n |
|---|---|
| AuCl₃ | 195/3 = 65 |
| ZnCl₂ | 65/2 = 32.5 |
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: في الكيمياء الكهربية، التفاعل يكون غير تلقائي إذا كان الفلز المضاف أقل نشاطاً (أقل في جهد الأكسدة) من الفلز الموجود في المحلول، مما يعني عدم قدرته على طرده. الفلز الأكثر نشاطاً هو الذي يمتلك جهد أكسدة أعلى ويعمل **كعامل مختزل قوي** يسهل أكسدته.
✅ ترتيب العناصر حسب النشاط الكيميائي (جهود الأكسدة):
• من التفاعل الأول (غير تلقائي): تفاعل Z مع أيونات Y2+ غير تلقائي، هذا يعني أن Z أقل نشاطاً من Y. إذن: Y > Z.
• من التفاعل الثاني (غير تلقائي): تفاعل Y مع أيونات X2+ غير تلقائي، هذا يعني أن Y أقل نشاطاً من X. إذن: X > Y.
• الترتيب النهائي التنازلي للنشاط: بدمج العلاقتفي نجد أن الترتيب هو: X > Y > Z.
📊 تقييم التفاعل المطلوب:
• التفاعل المطلوب هو تفاعل الفلز المضاف X مع أيونات Z2+. وبما أن **X أكثر نشاطاً من Z** (يعلوه في متسلسلة الجهود)، فإنه يستطيع طرده ويحدث التفاعل بشكل **تلقائي (Spontaneous)**.
• في هذا التفاعل، الفلز X تحدث له عملية أكسدة حيث يفقد إلكترونات ليتحول إلى X2+، وبما أنه تسبب في اختزال أيونات Z2+، فإذن **العنصر (X) يعمل كعامل مختزل (Reducing agent)**.
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: أثناء عملية **إعادة الشحن (Recharging)**، تعمل بطارية أيون الليثيوم كخلية إلكتروليتية (تحليلية). يتم عكس التفاعلات التي حدثت أثناء التفريغ؛ حيث تنتقل أيونات الليثيوم (Li⁺) والإلكترونات من القطب الإيجابي (الذي يصبح أنوداً أثناء الشحن) إلى القطب السلبي (الذي يصبح كاثوداً أثناء الشحن).
✅ تحليل ماذا يحدث عند القطبين أثناء الشحن بالتفصيل:
• عند الأنود (القطب الموجب أثناء الشحن): يتكون الأنود هنا من أكسيد الليثيوم كوبالت (LiCoO₂). عند الشحن، تترك أيونات الليثيوم هذا القطب وتتحرك عبر الإلكتروليت، مما يؤدي إلى **نقصان كتلة هذا القطب (الذي يعمل كأنود أثناء الشحن)**.
• عملية الأكسدة عند الأنود: لموازنة خروج أيونات Li⁺ الموجبة، يفقد الكوبالت إلكترونات؛ حيث تتأكسد أيونات الكوبالت الثلاثي (Co³⁺) إلى كوبالت رباعي (Co⁴⁺) وفقاً للتفاعل التالي:
LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-
• عند الكاثود (القطب السالب أثناء الشحن): يستقبل الجرافيت (C₆) أيونات الليثيوم والإلكترونات القادمة ليتكون جرافيت الليثيوم (LiC₆)، مما يؤدي لزيادة كتلته. أما تركيز أيونات الليثيوم في الإلكتروليت فيظل ثابتاً في المحصلة لأن معدل انطلاقها من أحد القطبين يساوي معدل ترسبها عند الآخر.
📊 الخلاصة المنطقية: الخيار (د) هو الوصف الصحيح تماماً لآلية عمل الخلية أثناء الشحن، حيث تقل كتلة هذا القطب (الأنود) ويحدث تفاعل أكسدة لأيونات الكوبالت من حالة +3 إلى +4.
| تفاعل الكاثود (المهبط) | تفاعل الأنود (المصعد) | |
|---|---|---|
| أ) | 4Cu+(l) + 4e- → 4Cu(s) | 2O2-(l) → O2(g) + 4e- |
| ب) | 2Cu2+(l) + 2e- → Cu(s) | 2Cl-(l) → Cl2(g) + 2e- |
| ج) | 2Cu+(l) + 2e- → 2Cu(s) | 2Cl-(l) → Cl2(g) + 2e- |
| د) | 4Cu2+(l) + 4e- → 2Cu(s) | 2O2-(l) → O2(g) + 4e- |
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: تنص قوانفي فاراداي للتحليل الكهربائي على أن كمية الكهرباء المارة تحدد عدد مولات الإلكترونات المنتقلة. بمقارنة عدد مولات الإلكترونات مع عدد مولات النواتج الفعلية المتكونة عند كل قطب، يمكننا استنتاج التكافؤ الصحيح (شحنة الأيون) والنسبة الموزونة للتفاعلات.
✅ خطوات التحليل الحسابي الكيميائي:
• 1. حساب عدد مولات الإلكترونات المارة في الخلية: بالاستعانة بثابت فاراداي (96500 كولوم/مول إلكترونات):
عدد مولات الإلكترونات = كمية الكهربية (كولوم) / ثابت فاراداي = 9650 / 96500 = 0.1 مول من الإلكترونات.
• 2. تحديد تكافؤ أيون النحاس عند الكاثود: المعطيات تذكر ترسب 0.1 مول من النحاس.
النسبة = عدد مولات الإلكترونات / عدد مولات النحاس المترسب = 0.1 / 0.1 = 1 : 1.
هذا يعني أن كل 1 مول من أيونات النحاس يحتاج إلى 1 مول من الإلكترونات لاختزاله، مما يؤكد أن أيون النحاس أحادي التكافؤ (Cu+). وبذلك ينحصر الاختيار بين الصففي (أ) أو (ج).
• 3. تحديد نوع وتكافؤ الغاز المتصاعد عند الأنود: المعطيات تذكر تصاعد 0.05 مول من الغاز.
النسبة = عدد مولات الإلكترونات / عدد مولات الغاز المتصاعد = 0.1 / 0.05 = 2 : 1.
هذا يعني أن إنتاج 1 مول من الغاز يصاحبه فقد 2 مول من الإلكترونات. بفحص المعادلات:
- لغاز الكلور (Cl2): 2Cl- → Cl2 + 2e- (النسبة بين الإلكترونات والغاز هي 2 : 1). وهذا يطابق حساباتنا تماماً!
- لغاز الأكسجين (O2): 2O2- → O2 + 4e- (النسبة بين الإلكترونات والغاز هي 4 : 1).
📊 الاستنتاج النهائي: بدمج النتائج المتطابقة (تواجد أيون النحاس الأحادي Cu+ عند المهبط وتصاعد غاز الكلور Cl2 عند المصعد)، نجد أن المعادلتفي الموزونتفي في الصف (ج) تمثلان بدقة الآلية الكيميائية الصحيحة لهذه الخلية.
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: تعتمد إمكانية حفظ محلول ملح فلز داخل وعاء من فلز آخر على نشاطهما الكيميائي؛ حيث لا يمكن الحفظ إذا كان الوعاء أعلى نشاطاً (أعلى في جهد الأكسدة) من شق المحلول لحدوث تفاعل تلقائي يؤدي لتآكل الوعاء، بينما تنجح العملية تماماً إذا كان الوعاء أقل نشاطاً.
✅ تحليل شروط الحفظ وترتيب الفلزات:
• الفلز X: محلول ملحه لا يمكن حفظه في وعاء من Z، مما يعني حدوث تفاعل تلقائي يذوب فيه الوعاء Z ويترسب الفلز X. هذا يثبت أن الفلز Z أكثر نشاطاً من الفلز X (جهد أكسدة Z أكبر من X).
• الفلز Y: محلول ملحه يمكن حفظه في وعاء من Z، مما يعني عدم حدوث أي تفاعل تلقائي بين الوعاء والمحلول. هذا يثبت أن الفلز Z أقل نشاطاً من الفلز Y (جهد أكسدة Y أكبر من Z).
• الترتيب التنازلي النهائي حسب جهود الأكسدة: بدمج العلاقتفي نجد أن Y هو الأعلى نشاطاً مطلقاً، يليه Z كفلز متوسط، بينما يقع X في نهاية هذه السلسلة كأقلهم نشاطاً. بالتالي، تدرج الصياغة التنازلية الصحيحة في الخيارات يطابق: X < Z < Y.
📊 الخلاصة: الترتيب المنهجي الصحيح الذي يعبر عن تدرج الفلزات وفقاً لجهود أكسدتها التنازلية يتوافق تماماً مع الخيار (ب).
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: يشترط في الإلكتروليت المستخدم داخل القنطرة الملحية ألا تتفاعل أيوناته مع أيونات محاليل نصفي الخلية (الأنود والكاثود) وألا تشكل رواسب شحيحة الذوبان. تكوّن راسب يؤدي لتعطيل التوازن الأيوني ويوقف تدفق التيار الكهربائي.
✅ تحليل تفاعل الترسيب خطوة بخطوة:
• 1. مكونات خلية دانيال: تحتوي خلية دانيال القياسية على نصف خلية خارصين مغمور في محلول كبريتات الخارصين (ZnSO4) ونصف خلية نحاس مغمور في محلول كبريتات النحاس (CuSO4).
• 2. عدم ملاءمة كلوريد الكالسيوم (CaCl2): عند ملء القنطرة بـ CaCl2، تهاجر كاتيونات الكالسيوم الموجبة (Ca2+) نحو نصف خلية الكاثود لمعادلة زيادة الشحنات السالبة الناتجة عن ترسب النحاس.
• 3. تفاعل الترسيب الحادث: تتحد أيونات الكالسيوم (Ca2+) فوراً مع أيونات الكبريتات (SO42-) الوفيرة في المحلول لتكوين راسب أبيض من كبريتات الكالسيوم (CaSO4 ↓) وهو مادة شحيحة الذوبان جداً في الماء:
Ca2+(aq) + SO42-(aq) → CaSO4(s) ↓
• يتسبب هذا الترسيب السريع في سد مسام القنطرة الملحية وعزل نصفي الخلية أيونياً، مما يمنع الحفاظ على التعادل الكهربي، وبالتالي تتوقف الخلية عن العمل بعد فترة قصيرة جداً.
📊 الخلاصة العلمية: بسبب تكوّن راسب كبريتات الكالسيوم غير الذائب الذي يعطل عمل المنظومة الكهربائية، فإن الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة والدقيقة.
🎯 القاعدة الكيميائية الأساسية: يتآكل الحديد (Fe) ويصدا عندما يعمل **كأنود** (أي عندما يتصل بفلز أقل نشاطاً وله جهد أكسدة أقل منه). وتزداد سرعة تآكل الحديد كلما قل جهد أكسدة الفلز المتصل به، لزيادة فرق الجهد الكهربائي بينهما.
✅ تحليل الأنابيب ومعدلات التآكل:
• الحماية الكاثودية والتضحية: في الأنبوبين (1) و (3)، الفلزات W (+1.27 V) و Y (+0.74 V) لها جهود أكسدة أعلى من الحديد (+0.44 V)، وبالتالي تعمل كأنود وتتآكل بدلاً من الحديد لحمايته (حماية أنودية)، مما يعني أن **الحديد لا يتآكل نهائياً في الأنبوبين (1) و(3)**.
• شروط تآكل الحديد: في الأنبوبين (2) و (4)، الفلزات Z (−0.4 V) و X (+0.12 V) لها جهود أكسدة أقل من الحديد (+0.44 V)، وبالتالي يعمل الحديد كأنود ويحدث له تآكل (غطاء كاثودي).
• مقارنة سرعة التآكل:
- **الأنبوب (4) مع الفلز X:** فرق الجهد = 0.44 − 0.12 = 0.32 V.
- **الأنبوب (2) مع الفلز Z:** فرق الجهد = 0.44 − (−0.4) = 0.84 V.
• بما أن الأنبوب (2) له فرق جهد أكبر، فإن تآكل الحديد فيه يكون أسرع وأكبر من الأنبوب (4). وبالتالي، فإن ترتيب معدل الصدأ والتآكل يتبع العلاقة: (4) < (2).
📊 الخلاصة: معدل تآكل الحديد في الأنبوب (4) أقل من معدل تآكله في الأنبوب (2)، مما يجعل الخيار (أ) هو التعبير الصحيح تماماً.