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.

التفاعلات عند الأنود (أكسدة)

1. أنود فلزي غير البلاتين والكربون (مثل $\text{Cu}$ و$\text{Ag}$): يتأكسد فلز القطب نفسه ويذوب أيونات موجبة: $\text{Cu}\rightarrow\text{Cu}^{2+}+2e^{-}$
2. أنود خامل (بلاتين $\text{Pt}$ أو كربون $\text{C}$):
   • إذا وُجدت أيونات هاليد ($\text{Cl}^{-}$، $\text{I}^{-}$) تتأكسد إلى العنصر: $2\text{Cl}^{-}\rightarrow\text{Cl}_2+2e^{-}$
   • إذا كانت الأيونات السالبة مثل $\text{SO}_4^{2-}$ أو $\text{NO}_3^{-}$ والمحلول حمضي أو متعادل يتأكسد الماء: $2\text{H}_2\text{O}\rightarrow\text{O}_2+4\text{H}^{+}+4e^{-}$
   • إذا كان المحلول قاعديًّا تتأكسد أيونات الهيدروكسيد: $4\text{OH}^{-}\rightarrow\text{O}_2+2\text{H}_2\text{O}+4e^{-}$

التفاعلات عند الكاثود (اختزال)

نوع مادة الكاثود لا يؤثر في الناتج؛ المهم هو الأيونات الموجبة:

1. أيونات فلز أقل نشاطًا من الهيدروجين ($\text{Cu}^{2+}$، $\text{Ag}^{+}$): تُختزل ويترسب الفلز: $\text{Ag}^{+}+e^{-}\rightarrow\text{Ag}$
2. أيونات فلز أعلى نشاطًا من الهيدروجين ($\text{Na}^{+}$، $\text{K}^{+}$، $\text{Mg}^{2+}$، $\text{Al}^{3+}$): لا تُختزل، بل يُختزل الماء ويتصاعد الهيدروجين: $2\text{H}_2\text{O}+2e^{-}\rightarrow\text{H}_2+2\text{OH}^{-}$
3. المحلول حمضي: تُختزل أيونات الهيدروجين: $2\text{H}^{+}+2e^{-}\rightarrow\text{H}_2$

مثال مختصر: تحليل حمض الكبريتيك المخفف بقطبي بلاتين: عند الأنود يتصاعد $\text{O}_2$، وعند الكاثود يتصاعد $\text{H}_2$؛ 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 $\text{NaCl}$ المشبع بأنود من الكربون وكاثود من الحديد:

1. عند الأنود: $2\text{Cl}^{-}\rightarrow\text{Cl}_2+2e^{-}$، وعند الكاثود: $2\text{H}_2\text{O}+2e^{-}\rightarrow\text{H}_2+2\text{OH}^{-}$.
2. تعبر أيونات $\text{Na}^{+}$ الغشاء متجهة إلى غرفة الكاثود، ولا تعبر أيونات $\text{Cl}^{-}$.
3. يزداد تركيز $\text{Na}^{+}$ و$\text{OH}^{-}$ في غرفة الكاثود، فنحصل على محلول هيدروكسيد صوديوم نقي لا يختلط بكلوريد الصوديوم، ويبقى الكلور منفصلًا عن الهيدروكسيد فلا يتفاعلان.

أسئلة للتدريب

1. اكتب نصفي التفاعل عند قطبي نحاس في حمض الكبريتيك المخفف.
2. اكتب نصفي التفاعل في تحليل $\text{KOH}(aq)$ بقطبي بلاتين.
3. اكتب نصفي التفاعل في تحليل $\text{NaCl}(aq)$ بأنود جرافيت وكاثود حديد.
4. لماذا تترسب الفضة عند الكاثود في تحليل $\text{AgNO}_3(aq)$ بينما لا يترسب الصوديوم في تحليل $\text{NaNO}_3(aq)$؟
5. لماذا يُستخدم غشاء لا يمرر إلا الأيونات الموجبة في إنتاج هيدروكسيد الصوديوم؟