جهد القطب

خطوات الاستخدام

الخطوة الأولى: تحديد نصف التفاعل الكاثودي (الاختزال) ونصف التفاعل الأنودي (الأكسدة). يدخل المستخدم كلاً من الكاثود والأنود في الحاسبة. على سبيل المثال، إذا كان الكاثود هو Cu²⁺ والأنود هو Zn، فهذا يعني أن أيونات النحاس ستختزل إلى نحاس فلزي (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu) والزنك سيتأكسد إلى أيونات زنك (Zn → Zn²⁺ + 2e⁻).

الخطوة الثانية: البحث عن جهود الاختزال القياسية (E°) لكل نصف تفاعل من جداول معتمدة (مثل جدول السلسلة الكهروكيميائية). لكل نصف تفاعل قيمة جهد قياسية بوحدة الفولت عند 25 درجة مئوية، وتركيز 1 مول/لتر، وضغط 1 ضغط جوي. على سبيل المثال، E° (Cu²⁺/Cu) = +0.34 فولت، و E° (Zn²⁺/Zn) = -0.76 فولت.

الخطوة الثالثة: حساب جهد الخلية الكلي باستخدام المعادلة: E_cell = E_cathode - E_anode. في مثال النحاس والزنك: E_cell = 0.34 - (-0.76) = 1.10 فولت. تشير الإشارة الموجبة إلى أن التفاعل تلقائي (يحدث بشكل طبيعي) عند الظروف القياسية.

الأسئلة الشائعة

قطب الهيدروجين القياسي (Standard Hydrogen Electrode, SHE) هو قطب مرجعي يستخدم لتعيين جهود الاختزال القياسية لنصف الخلايا. يتكون من قطب بلاتيني مغمور في محلول حمضي بتركيز 1 مول/لتر من H⁺، ويغمر بغاز الهيدروجين عند ضغط 1 ضغط جوي ودرجة حرارة 25°C. يُعطى هذا القطب جهدًا مقداره صفر فولت بالاتفاق (E° = 0.00 V). يتم قياس جهد أي نصف خلية آخر بتوصيله مع SHE وتحديد فرق الجهد. الأهمية: يوفر نقطة مرجعية ثابتة تسمح بمقارنة جهود المواد المختلفة. على سبيل المثال، إذا كان جهد نصف خلية الزنك (-0.76 V) بالنسبة لـ SHE، فهذا يعني أن أيونات Zn²⁺ تميل للاختزال بدرجة أقل من H⁺. يستخدم SHE أيضًا في حسابات الديناميكا الحرارية ومعادلة نيرنست لتحديد الجهد تحت ظروف غير قياسية. لكن من الناحية العملية، تُستخدم أقطاب مرجعية أخرى مثل قطب كالوميل المشبع (SCE) لتجنب صعوبة تحضير SHE.

نعم، إذا كان جهد الخلية القياسي (E°_cell) موجباً، فإن التفاعل يكون تلقائياً عند الظروف القياسية (تركيز 1 مول/لتر، ضغط 1 ضغط جوي، 25°C). العلاقة الرياضية: ΔG° = -n F E°_cell، حيث ΔG° تغير طاقة جيبس الحرة القياسية، n عدد الإلكترونات المتبادلة، F ثابت فاراداي (96485 كولوم/مول). فإذا كان E°_cell > 0، يكون ΔG° < 0، مما يدل على تلقائية التفاعل. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط جهد الخلية بثابت الاتزان K من خلال المعادلة: E°_cell = (RT / nF) ln K. عند درجة حرارة 25°C، يمكن تبسيطها إلى E°_cell = (0.05916 / n) log K. فكلما زاد E°_cell، زاد ثابت الاتزان، مما يعني أن التفاعل يميل بقوة نحو النواتج. على سبيل المثال، خلية دانيال (Zn/Cu) لها E°_cell = 1.10 V، وبالتالي log K = (n E°_cell) / 0.05916 = (2 * 1.10) / 0.05916 ≈ 37.2، أي K ≈ 1.6 × 10^37. هذا يدل على أن التفاعل يسير تقريباً بشكل كامل نحو النواتج.

جهد الخلية يتغير مع تغير تركيز المواد المتفاعلة والناتجة وفقاً لمعادلة نيرنست (Nernst equation): E_cell = E°_cell - (RT / nF) ln Q، حيث Q هو حاصل التفاعل (نسبة الأنشطة، وعادةً تستخدم التركيزات المولارية للحلول المخففة). عند 25°C، يمكن كتابة المعادلة باللوغاريتم العشري: E_cell = E°_cell - (0.05916 / n) log Q. المثال: خلية Zn/Cu بتركيزات غير قياسية: [Zn²⁺] = 0.1 M، [Cu²⁺] = 2.0 M. التفاعل الكلي: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Q = [Zn²⁺]/[Cu²⁺] = 0.1/2.0 = 0.05. E°_cell = 1.10 V، n = 2. إذن E_cell = 1.10 - (0.05916/2) log(0.05) = 1.10 - 0.02958 * (-1.301) = 1.10 + 0.0385 = 1.1385 V. لاحظ أن الجهد يزداد قليلاً لأن تركيز Cu²⁺ عالٍ و Zn²⁺ منخفض، مما يزيد من تلقائية التفاعل. عكسياً، إذا كان Zn²⁺ عالياً و Cu²⁺ منخفضاً، قد يصبح الجهد أصغر أو حتى سالباً. هذه المعادلة مهمة في تصميم البطاريات وفهم تأثير تركيز الإلكتروليت.

جهد الاختزال القياسي (Standard Reduction Potential) هو الجهد المرتبط بنصف تفاعل الاختزال (اكتساب إلكترونات) عند الظروف القياسية. أما جهد الأكسدة القياسي (Standard Oxidation Potential) فهو جهد نصف تفاعل الأكسدة (فقد إلكترونات)، وهو يساوي سالب جهد الاختزال القياسي لنفس الزوج. أي أن: E°_oxidation = - E°_reduction. على سبيل المثال، جهد اختزال الزنك: Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn (E° = -0.76 V). بالتالي جهد أكسدة الزنك: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (E° = +0.76 V). في الخلية الجلفانية، نستخدم جهد الاختزال للكاثود وجهد الأكسدة للأنود، لكن الطريقة الأسهل هي طرح جهود الاختزال: E_cell = E_cathode(reduction) - E_anode(reduction). هذا هو السبب في أننا نجد في جداول جهود الاختزال فقط، ونحسب جهد الخلية بهذه الطريقة. من المهم عدم الخلط: عند كتابة نصفي التفاعل، يجب كتابة الأنود كأكسدة والكاثود كاختزال، ثم جمع الجهدين (مع مراعاة الإشارات). ولكن الطريقة المذكورة (الطرح) هي الأكثر شيوعاً وسهولة.

جهد القطب

أدخل القيم

خطوات الاستخدام

أمثلة محلولة

أمثلة محسوبة

الأسئلة الشائعة