معلومات هامه للثاني عشر فصل الكيمياء الكهربائيه
جزء من توجيهات الفصل
لفصل الثاني ( الكيمياء الكهربائية ):
1- عدد الحصص المقترحة لهذا الفصل 18 حصة.
2- في هذا الفصل يجب على المعلم الاستفادة من دراسة موضوع الأكسدة والاختزال عند تدريس التفاعلات الحادثة عند الأقطاب في جميع الخلايا الكهروكيميائية.
3- يجب توضيح الفرق بين التوصيل الإلكتروني والذي يتم من خلال الموصلات الصلبة أو الفلزية (سلك من النحاس مثلا) وبين التوصيل الأيوني الذي يتم من خلال إلكتروليت ( مصهور أو محلول ).
** وعند مناقشة توصيل الفلزات للتيار الإلكتروني يراعى أن يتوصل المتعلم إلى أن الذرة يمكن اعتبارها مكونة من جزئين، هما قلب الذرة (Core) وهو الجزء الداخلي في الذرة والمكون من النواة وإلكترونات جميع المستويات الداخلية (Nuclei plus core electrons ) عدا إلكترونات مستوى التكافؤ ويمثل الجزء الموجب من الذرة (الأيون الموجب) وهذه الأيونات (وليس الأنوية) هي التي تتحرك حركة اهتزازية حول مواضع استقرارها في البلورة وهي التي تسبب مقاومة الفلز لمرور التيار، وإلكترونات مستوى التكافؤ وهي حرة الحركة ويمكن تشبيهها ببحر من الإلكترونات ( The "electron sea" model) الحرة وهي التي توصل التيار.
4- يجب التأكيد على أنه في جميع الخلايا الكهروكيميائية يوجد نوعان من التوصيل في الخلية، إلكتروني عبر الموصل الصلب أو الفلزي، وأيوني من خلال الإلكتروليت.
5- يراعى عند شرح تركيب أنصاف الخلايا التأكيد على أنه حسب ما تم الاتفاق عليه في نظام الأيوباك فإن الظروف القياسية لنصف خلية الهيدروجين هي عندما يكون تركيز كاتيون الهيدروجين في المحلول 1 M وضغط الهيدروجين 1 atm عند جميع درجات الحرارة، بينما في باقي أنصاف الخلايا القياسية فإن درجة الحرارة القياسية هي 25 ºC
6- عند تكوين الخلايا الجلفانية ، يتم تدريب الطلاب على كيفية تكوين خلايا جلفانية بدلالة كل من:
أ- جهود الاختزال لأنصاف الخلايا.
ب- التفاعل الكلي الحادث في الخلية.
ج- الرمز الاصطلاحي للخلية.
د- بمعلومية القطب المتصل بالطرف الموجب لمقياس الجهد، حيث يعتبر هذا القطب هو الكاثود، حيث يجب التأكيد على أنه عند استخدام مقياس الجهد (Potentiometer) لقياس جهد الاختزال لنصف الخلية، فإنه يجب أن يتم توصيل القطب الموجب لمقياس الجهد بكاثود الخلية حتى يكون جهدها بإشارة موجبة ( أي حتى يكون تفاعل الأكسدة والاختزال تلقائي )، ومما سبق فإنه يجب على الزملاء المعلمين العمل على توصيل المفاهيم التالية للطلاب عن كيفية تكوين الخلية الجلفانية وتحديد الأقطاب والتفاعلات الحادثة فيها.
تتكون الخلية الجلفانية بتوصيل نصفي الخلايا كما يلي:
أ- يتم توصيل القطبين من الخارج بسلك من النحاس ( أو أي موصل معدني ) حتى يمر فيه التيار الإلكتروني.
ب- يتم توصيل المحلولين معا بقنطرة ملحية غالبا ( أو أحيانا يستخدم فاصل مسامي بين النصفين (صفحة 57 ) أو أحيانا يتم وضع أحد النصفين في إناء مسامي مثل الفلتر وغمر هذا الإناء في محلول النصف الثاني)
وفي جميع أشكال الخلايا الجلفانية الموضحة بالرسم لا ننسى أن:
الأنود: القطب الذي تحدث عنده عملية أكسدة، وإشارته -
الكاثود: القطب الذي تحدث عنده عملية اختزال، وإشارته +
ويتم تحديد الأقطاب حسب المعطيات كما يلي:
أ- عندما يعطي جهود الاختزال:
في هذه الحالة يكون الأنود هو القطب الذي له أقل جهد اختزال، والكاثود هو القطب الذي له أكبر جهد اختزال. فمثلا في الخلية الجلفانية المكونة من نصف خلية الألومنيوم القياسية ( جهد الاختزال - 1.67 V )، ونصف خلية المغنيسيوم القياسية ( جهد الاختزال – 2.38 V ) يكون الأنود هو نصف خلية المغنيسيوم لأن جهد اختزاله أقل، والكاثود هو نصف خلية الألومنيوم لأن جهد اختزاله أكبر ( مثال 2 ص 65 ).
ب- عندما يعطي الرمز الاصطلاحي للخلية يكون الأنود هو نصف الخلية المكتوب على يسار الرمز، والكاثود هو نصف الخلية المكتوب على يمين الرمز. فمثلا في الخلية الجلفانية التي لها الرمز الاصطلاحي التالي :
Mg / Mg2+ (1M) // Al3+ (1M) / Al ، يكون الأنود في هذه الخلية هو نصف خلية المغنيسيوم لأنه مكتوب على يسار الرمز، بينما الكاثود هو نصف خلية الألومنيوم لأنه مكتوب على يمين الرمز ( تمرين 2 ص 67 ).
ج- عندما يعطي التفاعل الكلي الحادث في الخلية الجلفانية، يتم تحديد أنصاف الخلايا بناء على التفاعل الحادث فيها فالأنود هو نصف الخلية الذي تحدث له عملية الأكسدة.
والكاثود هو نصف الخلية الذي تحدث له عملية الاختزال. مثلا في الخلية الجلفانية التي يحدث فيها التفاعل الكلي التالي: Mg + 2 Al3+ 2 Al + 3 Mg2+ 3 ، يكون الأنود في هذه الخلية هو نصف خلية المغنيسيوم لأنه حدثت له عملية الأكسدة، بينما الكاثود هو نصف خلية الألومنيوم لأنه حدثت له عملية الاختزال، ( تمرين 3 ص 67 ).
د- عندما يتم توصيل الخلية الجلفانية بمقياس للجهد، ويذكر في المعطيات أنه تم توصيل أحد الأقطاب بالطرف الموجب لمقياس الجهد يكون هذا القطب هو الكاثود والقطب الثاني هو الأنود. فمثلا في الخلية الجلفانية المكونة من نصف خلية الألومنيوم القياسية ونصف خلية المغنيسيوم القياسية تم توصيل قطب الألومنيوم بالطرف الموجب لمقياس الجهد، فيكون الكاثود في هذه الخلية هو نصف خلية الألومنيوم لأنه تم توصيله بالطرف الموجب لمقياس الجهد ، بينما الأنود هو نصف خلية المغنيسيوم ( مثال 1 ص 62، تمرين 1 ص 64 ).
ثم نجيب على الأسئلة المطلوبة بنفس الطريقة في جميع ما سبق.
7- التأكيد على أن جهود الاختزال القطبية مقاسة بالنسبة لنصف خلية الهيدروجين القياسية ( والتي اعتبر جهد اختزالها وأكسدتها يساوي "صفراَ" )، مع التأكيد على أن جهد الاختزال يكون لنصف الخلية كلها بصرف النظر عن التفاعل الحادث هل هو أكسدة أم اختزال، وبالتالي فإن لكل نصف خلية أيضا جهد أكسدة وقيمته العددية مساوية للقيمة العددية لجهد اختزالها لكن بإشارة مخالفة.
8- عند تدريس السلسلة الكهروكيميائية يجب أن يتم ذلك من خلال قطاع رأسي للسلسلة يوضح الاتزان الحادث في كل نصف خلية، ويتم ربط علاقة بين قيم جهود الاختزال لأنصاف الخلايا والتفاعل الحادث في الاتجاهين ومنه نتوصل إلى أن الأنواع الموجودة على يسار السهمين تعمل كعوامل مؤكسدة ( لأنها تُخْتَزَلْ ) وتزداد قوتها من أعلى لأسفل بزيادة جهد الاختزال، بينما الأنواع الموجودة على يمين السهمين تعمل كعوامل مختزلة
( لأنها تَتَأكْسَدْ ) وتزداد قوتها كعوامل مُخْتَزِلَةُ من أسفل لأعلى مع التفسير.
9- الاهتمام بتدريس الخلايا الجلفانيه العملية والتي تستخدم على نطاق واسع في الحياة اليومية.
10- الإشارة إلى تغير قيمة pH لمحلول حمض الكبريتيك في المركم الرصاصي أثناء عمليتي الشحن والتفريغ .
11- يجب أن يكون الجانب العملي مصاحبا للنظري وذلك للمساعدة على تثبيت المفاهيم العلمية لدى المتعلمين.
12- عند تدريس الخلايا الإلكتروليتية يجب التمييز بين نواتج التحليل الكهربائي للمصاهير وللمحاليل مع ضرورة
تدريس جميع الأمثلة الموجودة في الكتابين النظري والعملي ( عدا الأجزاء المعلقة )، وتعطى جهود الاختزال لجميع الأنواع في الأسئلة وغير مطلوب من المتعلمين حفظ قيم جهود الاختزال، ولكن يتم تدريبهم على كيفية الاستعانة بها في تحديد نواتج التفاعل. ويجب على الزملاء مراعاة أن يكون الاهتمام بتدريس ورسم الخلايا الإلكتروليتية وتوصيل خليتان على التوالي مساويا تماما لنفس الاهتمام بتدريس ورسم الخلايا الجلفانية.
13- الاهتمام بالتطبيقات العملية لنواتج التحليل الكهربائي مثل تنقية النحاس والطلاء بالكهرباء.
14- تدريب المتعلمين على حل مسائل على قانوني فاراداي للتحليل الكهربائي.
15- التأكيد على أن قانونا فاراداي يمكن تطبيقهما على الخلايا الجلفانية علاوة على الخلايا الإلكتروليتية.
16- كنشاط إثرائي يمكن استنتاج القانون الثاني لفاراداي بتوصيل ثلاث خلايا إلكتروليتية في إحداها محلول به كاتيون Ag+ ، وفي الثانية محلول به كاتيون Cu2+ ، وفي الثالثة محلول به كاتيون Au3+ ، والأقطاب خاملة ونمرر فيهم نفس الكمية من الكهرباء ونقارن بين كتل وعدد مولات وعدد مكافئات النواتج حتى نتوصل لمفهوم القانون. كما يراعى عند حل تطبيقات على قانوني فاراداي، ما يلي:
# عدم التطرق لحساب pH ، pOH أو حجوم الغازات لنواتج التحليل الكهربائي ويكتفى بإيجاد العلاقة بين كمية الكهرباء والكتل أو عدد المولات فقط.
# التأكيد على مفهوم الكتلة المكافئة في تفاعلات الأكسدة والاختزال والعلاقة بين الكتلة المكافئة وكمية الكهرباء، بالإضافة إلى العلاقة بين كتلة المول وكمية الكهرباء.
17- التأكيد على إبلاغ الطلاب بالموضوعات المعلقة والأسئلة المرتبطة بها بصفة مستمرة، مع ضرورة تصحيح الأخطاء المطبعية أولا بأول.
18- الأجزاء المعلقة في هذا الفصل:
م الموضوع الصفحة
الفصل الثاني: الكيمياء الكهربائية
1 2- بطارية ( خلية ) أكسيد الفضة 77
2 تحضير هيدروكسيد الصوديوم بالتحليل الكهربائي لمحلول مركز من كلوريد الصوديوم باستخدام قطبين من الجرافيت، وعند استخدام كاثود من الزئبق. 87 - 90
3 السؤال الثاني: إملأ الفراغات التالية بما يناسبها رقم 8 106
4 السؤال الثالث: ضع علامة أو علامة × رقم 13 108
5 السؤال الرابع: ضع علامة أمام الإجابة الصحيحة رقم 14، 17 111
6 السؤال السادس: علل لما يأتي رقم 10، 12 113
7 السؤال السابع: وضح بكتابة المعادلات رقم 2، 3 113
8 السؤال الثامن: اجب عن الأسئلة التالية يلغى الجزء الخاص بخلية أكسيد الفضة من السؤال رقم 2، والسؤال رقم 9 114
116
لفصل الثاني ( الكيمياء الكهربائية ):
1- عدد الحصص المقترحة لهذا الفصل 18 حصة.
2- في هذا الفصل يجب على المعلم الاستفادة من دراسة موضوع الأكسدة والاختزال عند تدريس التفاعلات الحادثة عند الأقطاب في جميع الخلايا الكهروكيميائية.
3- يجب توضيح الفرق بين التوصيل الإلكتروني والذي يتم من خلال الموصلات الصلبة أو الفلزية (سلك من النحاس مثلا) وبين التوصيل الأيوني الذي يتم من خلال إلكتروليت ( مصهور أو محلول ).
** وعند مناقشة توصيل الفلزات للتيار الإلكتروني يراعى أن يتوصل المتعلم إلى أن الذرة يمكن اعتبارها مكونة من جزئين، هما قلب الذرة (Core) وهو الجزء الداخلي في الذرة والمكون من النواة وإلكترونات جميع المستويات الداخلية (Nuclei plus core electrons ) عدا إلكترونات مستوى التكافؤ ويمثل الجزء الموجب من الذرة (الأيون الموجب) وهذه الأيونات (وليس الأنوية) هي التي تتحرك حركة اهتزازية حول مواضع استقرارها في البلورة وهي التي تسبب مقاومة الفلز لمرور التيار، وإلكترونات مستوى التكافؤ وهي حرة الحركة ويمكن تشبيهها ببحر من الإلكترونات ( The "electron sea" model) الحرة وهي التي توصل التيار.
4- يجب التأكيد على أنه في جميع الخلايا الكهروكيميائية يوجد نوعان من التوصيل في الخلية، إلكتروني عبر الموصل الصلب أو الفلزي، وأيوني من خلال الإلكتروليت.
5- يراعى عند شرح تركيب أنصاف الخلايا التأكيد على أنه حسب ما تم الاتفاق عليه في نظام الأيوباك فإن الظروف القياسية لنصف خلية الهيدروجين هي عندما يكون تركيز كاتيون الهيدروجين في المحلول 1 M وضغط الهيدروجين 1 atm عند جميع درجات الحرارة، بينما في باقي أنصاف الخلايا القياسية فإن درجة الحرارة القياسية هي 25 ºC
6- عند تكوين الخلايا الجلفانية ، يتم تدريب الطلاب على كيفية تكوين خلايا جلفانية بدلالة كل من:
أ- جهود الاختزال لأنصاف الخلايا.
ب- التفاعل الكلي الحادث في الخلية.
ج- الرمز الاصطلاحي للخلية.
د- بمعلومية القطب المتصل بالطرف الموجب لمقياس الجهد، حيث يعتبر هذا القطب هو الكاثود، حيث يجب التأكيد على أنه عند استخدام مقياس الجهد (Potentiometer) لقياس جهد الاختزال لنصف الخلية، فإنه يجب أن يتم توصيل القطب الموجب لمقياس الجهد بكاثود الخلية حتى يكون جهدها بإشارة موجبة ( أي حتى يكون تفاعل الأكسدة والاختزال تلقائي )، ومما سبق فإنه يجب على الزملاء المعلمين العمل على توصيل المفاهيم التالية للطلاب عن كيفية تكوين الخلية الجلفانية وتحديد الأقطاب والتفاعلات الحادثة فيها.
تتكون الخلية الجلفانية بتوصيل نصفي الخلايا كما يلي:
أ- يتم توصيل القطبين من الخارج بسلك من النحاس ( أو أي موصل معدني ) حتى يمر فيه التيار الإلكتروني.
ب- يتم توصيل المحلولين معا بقنطرة ملحية غالبا ( أو أحيانا يستخدم فاصل مسامي بين النصفين (صفحة 57 ) أو أحيانا يتم وضع أحد النصفين في إناء مسامي مثل الفلتر وغمر هذا الإناء في محلول النصف الثاني)
وفي جميع أشكال الخلايا الجلفانية الموضحة بالرسم لا ننسى أن:
الأنود: القطب الذي تحدث عنده عملية أكسدة، وإشارته -
الكاثود: القطب الذي تحدث عنده عملية اختزال، وإشارته +
ويتم تحديد الأقطاب حسب المعطيات كما يلي:
أ- عندما يعطي جهود الاختزال:
في هذه الحالة يكون الأنود هو القطب الذي له أقل جهد اختزال، والكاثود هو القطب الذي له أكبر جهد اختزال. فمثلا في الخلية الجلفانية المكونة من نصف خلية الألومنيوم القياسية ( جهد الاختزال - 1.67 V )، ونصف خلية المغنيسيوم القياسية ( جهد الاختزال – 2.38 V ) يكون الأنود هو نصف خلية المغنيسيوم لأن جهد اختزاله أقل، والكاثود هو نصف خلية الألومنيوم لأن جهد اختزاله أكبر ( مثال 2 ص 65 ).
ب- عندما يعطي الرمز الاصطلاحي للخلية يكون الأنود هو نصف الخلية المكتوب على يسار الرمز، والكاثود هو نصف الخلية المكتوب على يمين الرمز. فمثلا في الخلية الجلفانية التي لها الرمز الاصطلاحي التالي :
Mg / Mg2+ (1M) // Al3+ (1M) / Al ، يكون الأنود في هذه الخلية هو نصف خلية المغنيسيوم لأنه مكتوب على يسار الرمز، بينما الكاثود هو نصف خلية الألومنيوم لأنه مكتوب على يمين الرمز ( تمرين 2 ص 67 ).
ج- عندما يعطي التفاعل الكلي الحادث في الخلية الجلفانية، يتم تحديد أنصاف الخلايا بناء على التفاعل الحادث فيها فالأنود هو نصف الخلية الذي تحدث له عملية الأكسدة.
والكاثود هو نصف الخلية الذي تحدث له عملية الاختزال. مثلا في الخلية الجلفانية التي يحدث فيها التفاعل الكلي التالي: Mg + 2 Al3+ 2 Al + 3 Mg2+ 3 ، يكون الأنود في هذه الخلية هو نصف خلية المغنيسيوم لأنه حدثت له عملية الأكسدة، بينما الكاثود هو نصف خلية الألومنيوم لأنه حدثت له عملية الاختزال، ( تمرين 3 ص 67 ).
د- عندما يتم توصيل الخلية الجلفانية بمقياس للجهد، ويذكر في المعطيات أنه تم توصيل أحد الأقطاب بالطرف الموجب لمقياس الجهد يكون هذا القطب هو الكاثود والقطب الثاني هو الأنود. فمثلا في الخلية الجلفانية المكونة من نصف خلية الألومنيوم القياسية ونصف خلية المغنيسيوم القياسية تم توصيل قطب الألومنيوم بالطرف الموجب لمقياس الجهد، فيكون الكاثود في هذه الخلية هو نصف خلية الألومنيوم لأنه تم توصيله بالطرف الموجب لمقياس الجهد ، بينما الأنود هو نصف خلية المغنيسيوم ( مثال 1 ص 62، تمرين 1 ص 64 ).
ثم نجيب على الأسئلة المطلوبة بنفس الطريقة في جميع ما سبق.
7- التأكيد على أن جهود الاختزال القطبية مقاسة بالنسبة لنصف خلية الهيدروجين القياسية ( والتي اعتبر جهد اختزالها وأكسدتها يساوي "صفراَ" )، مع التأكيد على أن جهد الاختزال يكون لنصف الخلية كلها بصرف النظر عن التفاعل الحادث هل هو أكسدة أم اختزال، وبالتالي فإن لكل نصف خلية أيضا جهد أكسدة وقيمته العددية مساوية للقيمة العددية لجهد اختزالها لكن بإشارة مخالفة.
8- عند تدريس السلسلة الكهروكيميائية يجب أن يتم ذلك من خلال قطاع رأسي للسلسلة يوضح الاتزان الحادث في كل نصف خلية، ويتم ربط علاقة بين قيم جهود الاختزال لأنصاف الخلايا والتفاعل الحادث في الاتجاهين ومنه نتوصل إلى أن الأنواع الموجودة على يسار السهمين تعمل كعوامل مؤكسدة ( لأنها تُخْتَزَلْ ) وتزداد قوتها من أعلى لأسفل بزيادة جهد الاختزال، بينما الأنواع الموجودة على يمين السهمين تعمل كعوامل مختزلة
( لأنها تَتَأكْسَدْ ) وتزداد قوتها كعوامل مُخْتَزِلَةُ من أسفل لأعلى مع التفسير.
9- الاهتمام بتدريس الخلايا الجلفانيه العملية والتي تستخدم على نطاق واسع في الحياة اليومية.
10- الإشارة إلى تغير قيمة pH لمحلول حمض الكبريتيك في المركم الرصاصي أثناء عمليتي الشحن والتفريغ .
11- يجب أن يكون الجانب العملي مصاحبا للنظري وذلك للمساعدة على تثبيت المفاهيم العلمية لدى المتعلمين.
12- عند تدريس الخلايا الإلكتروليتية يجب التمييز بين نواتج التحليل الكهربائي للمصاهير وللمحاليل مع ضرورة
تدريس جميع الأمثلة الموجودة في الكتابين النظري والعملي ( عدا الأجزاء المعلقة )، وتعطى جهود الاختزال لجميع الأنواع في الأسئلة وغير مطلوب من المتعلمين حفظ قيم جهود الاختزال، ولكن يتم تدريبهم على كيفية الاستعانة بها في تحديد نواتج التفاعل. ويجب على الزملاء مراعاة أن يكون الاهتمام بتدريس ورسم الخلايا الإلكتروليتية وتوصيل خليتان على التوالي مساويا تماما لنفس الاهتمام بتدريس ورسم الخلايا الجلفانية.
13- الاهتمام بالتطبيقات العملية لنواتج التحليل الكهربائي مثل تنقية النحاس والطلاء بالكهرباء.
14- تدريب المتعلمين على حل مسائل على قانوني فاراداي للتحليل الكهربائي.
15- التأكيد على أن قانونا فاراداي يمكن تطبيقهما على الخلايا الجلفانية علاوة على الخلايا الإلكتروليتية.
16- كنشاط إثرائي يمكن استنتاج القانون الثاني لفاراداي بتوصيل ثلاث خلايا إلكتروليتية في إحداها محلول به كاتيون Ag+ ، وفي الثانية محلول به كاتيون Cu2+ ، وفي الثالثة محلول به كاتيون Au3+ ، والأقطاب خاملة ونمرر فيهم نفس الكمية من الكهرباء ونقارن بين كتل وعدد مولات وعدد مكافئات النواتج حتى نتوصل لمفهوم القانون. كما يراعى عند حل تطبيقات على قانوني فاراداي، ما يلي:
# عدم التطرق لحساب pH ، pOH أو حجوم الغازات لنواتج التحليل الكهربائي ويكتفى بإيجاد العلاقة بين كمية الكهرباء والكتل أو عدد المولات فقط.
# التأكيد على مفهوم الكتلة المكافئة في تفاعلات الأكسدة والاختزال والعلاقة بين الكتلة المكافئة وكمية الكهرباء، بالإضافة إلى العلاقة بين كتلة المول وكمية الكهرباء.
17- التأكيد على إبلاغ الطلاب بالموضوعات المعلقة والأسئلة المرتبطة بها بصفة مستمرة، مع ضرورة تصحيح الأخطاء المطبعية أولا بأول.
18- الأجزاء المعلقة في هذا الفصل:
م الموضوع الصفحة
الفصل الثاني: الكيمياء الكهربائية
1 2- بطارية ( خلية ) أكسيد الفضة 77
2 تحضير هيدروكسيد الصوديوم بالتحليل الكهربائي لمحلول مركز من كلوريد الصوديوم باستخدام قطبين من الجرافيت، وعند استخدام كاثود من الزئبق. 87 - 90
3 السؤال الثاني: إملأ الفراغات التالية بما يناسبها رقم 8 106
4 السؤال الثالث: ضع علامة أو علامة × رقم 13 108
5 السؤال الرابع: ضع علامة أمام الإجابة الصحيحة رقم 14، 17 111
6 السؤال السادس: علل لما يأتي رقم 10، 12 113
7 السؤال السابع: وضح بكتابة المعادلات رقم 2، 3 113
8 السؤال الثامن: اجب عن الأسئلة التالية يلغى الجزء الخاص بخلية أكسيد الفضة من السؤال رقم 2، والسؤال رقم 9 114
116
