الكيمياء · الصف الثاني الثانوي · الترم الأول
التفاعلات عند الأقطاب الكهربائية (1)
التحليل الكهربائي وقواعد التنبؤ بنواتجه: التفاعلات عند الأنود (قطب خامل أو فلزي، وأيونات الهاليد والماء والهيدروكسيد) والتفاعلات عند الكاثود (أيونات فلز أقل أو أعلى نشاطًا من الهيدروجين، والمحلول الحمضي)، وإنتاج هيدروكسيد الصوديوم بطريقة غشاء التبادل الكاتيوني.
آخر تحديث: · كيف نراجع المحتوى
مقدمة
- المادة: الكيمياء
- المسار: مسار الهندسة وعلوم الحاسب
- الوحدة: الفصل الثاني: التغيُّر والاتزان في المادة
أرادت شركة أن تنتج من ماء البحر (محلول كلوريد الصوديوم) غاز الهيدروجين وقودًا نظيفًا، وغاز الكلور لتعقيم المياه، دون إضافة أي مادة كيميائية. مرّر المهندسون تيارًا كهربيًّا في المحلول، فظهرت فقاعات غاز عند كل قطب، وتكونت في المحلول مادة جديدة. لكن لماذا لم يتكون فلز الصوديوم رغم وجود أيوناته؟ في هذا الدرس نتعلم قواعد التنبؤ بنواتج التحليل الكهربائي.
أهداف التعلم
- أن تعرّف التحليل الكهربائي وتقارنه بالخلية الجلفانية.
- أن تتنبأ بالتفاعل عند الأنود حسب نوع القطب ونوع الأيونات السالبة ووسط المحلول.
- أن تتنبأ بالتفاعل عند الكاثود حسب نشاط الفلز مقارنة بالهيدروجين.
- أن تكتب معادلات نصف التفاعل عند كل قطب لمحاليل مختلفة.
- أن تشرح إنتاج هيدروكسيد الصوديوم بطريقة غشاء التبادل الكاتيوني.
شرح الدرس
التحليل الكهربائي
التحليل الكهربائي عملية تُستخدم فيها الطاقة الكهربائية من مصدر خارجي لإحداث تفاعل أكسدة واختزال غير تلقائي. والأكسدة تحدث دائمًا عند الأنود (المصعد) المتصل بالقطب الموجب للمصدر، والاختزال عند الكاثود (المهبط) المتصل بالقطب السالب. وتتوقف النواتج على نوع الأقطاب ونوع الأيونات في المحلول.
| وجه المقارنة | الخلية الجلفانية | خلية التحليل الكهربائي |
|---|---|---|
| تحول الطاقة | كيميائية ← كهربائية | كهربائية ← كيميائية |
| التفاعل | تلقائي | غير تلقائي |
| إشارة الأنود | سالب | موجب |
التفاعلات عند الأنود (أكسدة)
- أنود فلزي غير البلاتين والكربون (مثل و): يتأكسد فلز القطب نفسه ويذوب أيونات موجبة:
- أنود خامل (بلاتين أو كربون ):
- إذا وُجدت أيونات هاليد (، ) تتأكسد إلى العنصر:
- إذا كانت الأيونات السالبة مثل أو والمحلول حمضي أو متعادل يتأكسد الماء:
- إذا كان المحلول قاعديًّا تتأكسد أيونات الهيدروكسيد:
التفاعلات عند الكاثود (اختزال)
نوع مادة الكاثود لا يؤثر في الناتج؛ المهم هو الأيونات الموجبة:
- أيونات فلز أقل نشاطًا من الهيدروجين (، ): تُختزل ويترسب الفلز:
- أيونات فلز أعلى نشاطًا من الهيدروجين (، ، ، ): لا تُختزل، بل يُختزل الماء ويتصاعد الهيدروجين:
- المحلول حمضي: تُختزل أيونات الهيدروجين:
مثال مختصر: تحليل حمض الكبريتيك المخفف بقطبي بلاتين: عند الأنود يتصاعد ، وعند الكاثود يتصاعد ؛ أي أن الماء هو الذي يتحلل فعليًّا.
طريقة غشاء التبادل الكاتيوني
غشاء التبادل الكاتيوني غشاء لا يسمح إلا بمرور الأيونات الموجبة. ويُستخدم في إنتاج هيدروكسيد الصوديوم عالي النقاء بتحليل محلول المشبع بأنود من الكربون وكاثود من الحديد:
- عند الأنود: ، وعند الكاثود: .
- تعبر أيونات الغشاء متجهة إلى غرفة الكاثود، ولا تعبر أيونات .
- يزداد تركيز و في غرفة الكاثود، فنحصل على محلول هيدروكسيد صوديوم نقي لا يختلط بكلوريد الصوديوم، ويبقى الكلور منفصلًا عن الهيدروكسيد فلا يتفاعلان.
أمثلة وتطبيقات
مثال 1: اكتب نصفي التفاعل عند القطبين في كل حالة:
| الإلكتروليت | الأنود | تفاعل الأنود | الكاثود | تفاعل الكاثود |
|---|---|---|---|---|
مثال 2: قال طالب: «يجب أن يتكون فلز الصوديوم عند تحليل محلول كلوريد الصوديوم؛ لأن أيونات الصوديوم موجودة». قيّم العبارة.
العبارة خاطئة؛ فالصوديوم أنشط كثيرًا من الهيدروجين، فيُختزل الماء بدلًا منه عند الكاثود ويتصاعد الهيدروجين. ولا يتكون فلز الصوديوم إلا بتحليل مصهور كلوريد الصوديوم الخالي من الماء.
مثال 3: في تحليل بقطبي بلاتين، ماذا يحدث لوسط المحلول؟ تتكون أيونات عند الأنود وتُستهلك أيونات ، فيصبح المحلول حمضيًّا تدريجيًّا ويبهت لونه الأزرق.
تطبيق: يعتمد «اقتصاد الهيدروجين» على تقنيتين كهروكيميائيتين: التحليل الكهربائي للماء بكهرباء من الطاقة الشمسية لإنتاج الهيدروجين، ثم خلايا الوقود لتحويل طاقته الكيميائية إلى كهرباء، وناتج العملية كلها الماء.
ملاحظات مهمة
- الأكسدة عند الأنود والاختزال عند الكاثود في كل الخلايا، لكن إشارة الأنود موجبة في التحليل الكهربائي.
- مادة الأنود تهم (خامل أم فلزي)، أما مادة الكاثود فلا تؤثر في الناتج.
- أيونات الفلزات النشطة (، ، …) لا تُختزل من محاليلها المائية.
- أيونات و لا تتأكسد عند الأنود الخامل؛ بل يتأكسد الماء.
المفاهيم الأساسية
- التحليل الكهربائي: طاقة كهربائية تُحدث تفاعل أكسدة واختزال غير تلقائي.
- الأنود: فلزي ← يذوب؛ خامل ← هاليد، وإلا الماء (حمضي/متعادل) أو (قاعدي).
- الكاثود: فلز أقل نشاطًا من ← يترسب؛ أعلى نشاطًا ← يُختزل الماء؛ حمضي ← .
- غشاء التبادل الكاتيوني: يمرر الأيونات الموجبة فقط، ويُستخدم لإنتاج نقي.
ملخص الدرس
في التحليل الكهربائي تدفع الكهرباء تفاعلًا غير تلقائي: تحدث الأكسدة عند الأنود الموجب والاختزال عند الكاثود السالب. ونتنبأ بالنواتج بقواعد بسيطة: الأنود الفلزي يذوب، والأنود الخامل يؤكسد الهاليد إن وُجد وإلا الماء أو الهيدروكسيد؛ وعند الكاثود تترسب الفلزات الأقل نشاطًا من الهيدروجين، أما الأنشط فيُختزل الماء بدلًا منها. وبغشاء التبادل الكاتيوني نحصل صناعيًّا على الكلور والهيدروجين وهيدروكسيد الصوديوم النقي.
أسئلة للتدريب
- اكتب نصفي التفاعل عند قطبي نحاس في حمض الكبريتيك المخفف.
- اكتب نصفي التفاعل في تحليل بقطبي بلاتين.
- اكتب نصفي التفاعل في تحليل بأنود جرافيت وكاثود حديد.
- لماذا تترسب الفضة عند الكاثود في تحليل بينما لا يترسب الصوديوم في تحليل ؟
- لماذا يُستخدم غشاء لا يمرر إلا الأيونات الموجبة في إنتاج هيدروكسيد الصوديوم؟