المحاضره الثالثه / العامل المختزل والعامل المؤكسد / الخلايا

الكيمياء الكهربائية (Electrochemistry)

مقدمة:

الكيمياء الكهربائية هي فرع من فروع الكيمياء يدرس العلاقة بين التفاعلات الكيميائية والتيار الكهربائي، خاصة تلك التفاعلات التي تتضمن نقل الإلكترونات، وتُعرف باسم تفاعلات الأكسدة والاختزال (Redox Reactions).

أولًا: الأكسدة والاختزال

تعريف الأكسدة:

هي عملية فقدان الإلكترونات من قبل المادة.
مثال:

$$\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-$$

تعريف الاختزال:

هو عملية اكتساب الإلكترونات من قبل المادة.
مثال:

$$\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}$$

ثانيًا: مفهوم العامل المؤكسِد والعامل المختزِل

1. العامل المؤكسِد (Oxidizing Agent):

هو المادة التي تُسبب أكسدة غيرها عن طريق أخذ الإلكترونات منها، أي أنه يُختزل بنفسه.

أمثلة:

• الكلور $\text{Cl}_2$:
  عند تفاعله مع أيون اليود $\text{I}^-$، يأخذ منه الإلكترونات ويتحول إلى $\text{Cl}^-$، أي أنه يُعد عاملًا مؤكسدًا.

$$\text{Cl}_2 + 2\text{I}^- \rightarrow 2\text{Cl}^- + \text{I}_2$$

في هذا التفاعل:

• الكلور (Cl₂) هو العامل المؤكسد لأنه أخذ الإلكترونات من اليود واختُزل.

2. العامل المختزِل (Reducing Agent):

هو المادة التي تُسبب اختزال غيرها عن طريق إعطاء الإلكترونات لها، أي أنه يتأكسد بنفسه.

أمثلة:

• الزنك $\text{Zn}$:
  عند وضعه في محلول يحتوي على أيونات النحاس $\text{Cu}^{2+}$، يعطيها إلكترونات ويتحول إلى $\text{Zn}^{2+}$، لذا يُعد عاملًا مختزلًا.

$$\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu}$$

في هذا التفاعل:

• الزنك (Zn) هو العامل المختزل لأنه أعطى الإلكترونات للنحاس وتأكسد.

ثالثًا: كيف نُحدد العامل المؤكسِد والمختزِل؟

1. اكتب المعادلة الموزونة.
2. حدد أعداد التأكسد لكل عنصر.
3. العنصر الذي يزداد عدد تأكسده ⇒ تأكسد ⇒ هو العامل المختزل.
4. العنصر الذي ينقص عدد تأكسده ⇒ اختزال ⇒ هو العامل المؤكسد.

رابعًا: أهمية الكيمياء الكهربائية في الحياة اليومية

1. البطاريات:
   تعتمد البطاريات على تفاعلات الأكسدة والاختزال لتوليد الكهرباء. مثل بطارية الرصاص في السيارات.
2. الطلاء الكهربائي:
   يتم استخدام الكهرباء لترسيب المعادن على الأسطح، مثل طلاء الذهب أو الفضة.
3. تنقية المعادن:
   تُستخدم الخلايا التحليلية في تنقية النحاس والمعادن الأخرى.
4. التحليل الكهربائي:
   يستخدم لتحليل المركبات مثل تحلل الماء إلى H₂ و O₂.

خامسًا: الخلايا الكهربائية

1. الخلية الجلفانية (الڤولتية):

• تحول الطاقة الكيميائية إلى كهربائية.
• يحدث فيها تفاعل تلقائي.
• تتكون من نصفين (نصف خلية لكل عنصر).
• الإلكترونات تنتقل من الأنود (الأكسدة) إلى الكاثود (الاختزال).

مثال: خلية دانيال (Zn-Cu):

$$\text{Zn} | \text{Zn}^{2+} || \text{Cu}^{2+} | \text{Cu}$$

• الزنك: يتأكسد ⇒ أنود ⇒ عامل مختزل.
• النحاس: يختزل ⇒ كاثود ⇒ عامل مؤكسد.

2. الخلية التحليلية:

• تُستخدم فيها الكهرباء لإحداث تفاعل غير تلقائي.
• مثل تحليل الماء أو استخلاص الألومنيوم من خاماته.
• القطب السالب هو الكاتيون (حيث يتم الاختزال).
• القطب الموجب هو الأنود (حيث تحدث الأكسدة).

سادسًا: مسائل محلولة عن العامل المؤكسد والمختزل

مثال 1:

حدد العامل المؤكسد والمختزل في التفاعل التالي:

$$\text{Fe}^{2+} + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{Fe}^{3+} + 2\text{Cl}^-$$

• الحديد Fe²⁺ → Fe³⁺: عدد التأكسد زاد ⇒ تأكسد ⇒ عامل مختزل
• الكلور Cl₂ → Cl⁻: عدد التأكسد قل ⇒ اختزال ⇒ عامل مؤكسد

الإجابة:

• العامل المؤكسد: Cl₂
• العامل المختزل: Fe²⁺

مثال 2:

ما العامل المؤكسد والمختزل في المعادلة التالية؟

$$\text{H}_2 + \text{F}_2 \rightarrow 2\text{HF}$$

• الهيدروجين: من 0 إلى +1 ⇒ تأكسد ⇒ عامل مختزل
• الفلور: من 0 إلى -1 ⇒ اختزال ⇒ عامل مؤكسد

الإجابة:

• العامل المؤكسد: F₂
• العامل المختزل: H₂

سابعًا: خلاصة العلاقة بين الأكسدة والاختزال والعوامل:

ثامنًا: طريقة سهلة للتذكر

• “المؤكسِد يُختزل”
  ⇒ يأخذ الإلكترونات.
• “المختزِل يتأكسد”
  ⇒ يعطي الإلكترونات.

خاتمة:

فهم العلاقة بين الأكسدة والاختزال، وتحديد العوامل المؤكسدة والمختزلة، هو الأساس لفهم الكيمياء الكهربائية وتطبيقاتها. من خلال تفاعلات بسيطة كهذه، يتم توليد الكهرباء أو استخدام الكهرباء في الصناعات الحيوية مثل تنقية المعادن، وصناعة البطاريات، والطلاء الكهربائي، والتحليل الكهربائي. التدريب المستمر على المعادلات والتحليل باستخدام أعداد التأكسد يسهل التمييز بين العوامل المؤكسدة والمختزلة بثقة ودقة.