الكهروكيمياء تدرس العلاقة بين التفاعلات الكيميائية والكهرباء. تشمل الخلايا الجلفانية (تولد كهرباء) والخلايا الإلكتروليتية (تستهلك كهرباء).
تحول الطاقة الكيميائية إلى كهربائية (تلقائية)
الأنود (-): قطب الأكسدة (يفقد إلكترونات)
الكاثود (+): قطب الاختزال (يكتسب إلكترونات)
القنطرة الملحية: تحافظ على التعادل الكهربائي
E°cell = E°cathode - E°anode
إذا E°cell > 0 → التفاعل تلقائي
قطب الهيدروجين القياسي (SHE) = 0.00 V
مثال:
Zn/Zn²⁺ || Cu²⁺/Cu حيث E°(Cu) = +0.34V, E°(Zn) = -0.76V
E°cell = 0.34 - (-0.76) = 1.10 V
عكس الخلية الجلفانية: يحتاج مصدر كهربائي خارجي
في التحليل الكهربائي: الأنود (+) والكاثود (-)
الأكسدة دائماً عند الأنود والاختزال عند الكاثود
العنصر الحر: 0 | الأكسجين: -2 (غالباً) | الهيدروجين: +1 (غالباً)
الفلزات القلوية: +1 | الفلزات القلوية الأرضية: +2
مجموع أعداد التأكسد في المركب المتعادل = 0
مثال (موازنة أكسدة-اختزال):
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
Zn فُقدت 2e⁻ (أُكسد) | Cu²⁺ اكتسب 2e⁻ (اختُزل)
Zn هو العامل المختزل | Cu²⁺ هو العامل المؤكسد
تطبيقات عملية:
البطاريات (خلايا جلفانية) | الطلاء الكهربائي (تحليل كهربائي) | حماية المعادن من الصدأ
⚠ أخطاء شائعة:
تدرس الكيمياء النووية التفاعلات التي تحدث في أنوية الذرات، بما في ذلك الاضمحلال الإشعاعي والانشطار والاندماج.
أنواع الاضمحلال الإشعاعي:
• جسيمات ألفا (α): نواة هيليوم (2p + 2n)، قدرة اختراق ضعيفة
• جسيمات بيتا (β): إلكترون عالي الطاقة، قدرة اختراق متوسطة
• أشعة غاما (γ): موجات كهرومغناطيسية، قدرة اختراق عالية
• عمر النصف: الزمن اللازم لاضمحلال نصف المادة المشعة
• الكمية المتبقية = الكمية الأولية × (1/2)^n حيث n = عدد أنصاف العمر
قضايا بيئية كيميائية:
• الأمطار الحمضية: ناتجة عن SO₂ و NO₂ في الجو
• ثقب الأوزون: تفكك O₃ بفعل مركبات CFCs
• الاحتباس الحراري: زيادة CO₂ و CH₄ تحبس الحرارة
• تلوث المياه: المعادن الثقيلة والمخلفات الكيميائية
| الخاصية | الخلية الجلفانية (الفولتية) | الخلية الإلكتروليتية |
|---|---|---|
| تحويل الطاقة | كيميائية → كهربائية | كهربائية → كيميائية |
| التفاعل | تلقائي (E° > 0) | غير تلقائي (يحتاج مصدر خارجي) |
| الأنود | سالب (-) أكسدة | موجب (+) أكسدة |
| الكاثود | موجب (+) اختزال | سالب (-) اختزال |
| القنطرة الملحية | موجودة (تربط نصفي الخلية) | غير موجودة (محلول واحد) |
| الأمثلة | البطاريات، خلية دانيال | الطلاء الكهربائي، تنقية الفلزات |
| نصف التفاعل | E° (V) | ملاحظة |
|---|---|---|
| Li⁺ + e⁻ → Li | -3.04 | أقوى عامل مختزل |
| Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn | -0.76 | يُستخدم في خلية دانيال |
| Fe²⁺ + 2e⁻ → Fe | -0.44 | الحديد |
| 2H⁺ + 2e⁻ → H₂ | 0.00 | القطب المرجعي (SHE) |
| Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu | +0.34 | يُستخدم في خلية دانيال |
| Ag⁺ + e⁻ → Ag | +0.80 | الفضة |
| Au³⁺ + 3e⁻ → Au | +1.50 | الذهب (أقوى عامل مؤكسد) |
| F₂ + 2e⁻ → 2F⁻ | +2.87 | أقوى عامل مؤكسد |
قاعدة مهمة:
• العنصر الذي جهد اختزاله أعلى (أكثر موجبية) يكون الكاثود (يُختزل).
• العنصر الذي جهد اختزاله أقل (أكثر سالبية) يكون الأنود (يُؤكسد).