خلايا التحليل الكهربائي

تعد خلايا التحليل الكهربائي مستهلكة للطاقة الكهربائية، حيث تُستخدم لإجبار التفاعلات غير التلقائية على الحدوث. تبرز أهميتها في شحن البطاريات واستخلاص الفلزات النشطة وتنقية المعادن.

خلية التحليل الكهربائي: جهاز يحتوي على وعاء به مادة كهرلية وأقطاب كهربائية متصلة بمصدر جهد خارجي لإجبار التفاعلات غير التلقائية على الحدوث.

تتكون الخلية من المكونات الرئيسية التالية:

• وعاء التحليل: يحتوي على المادة الكهرلية (مصهور أو محلول).
• الأقطاب: غالباً ما تكون خاملة مثل الجرافيت أو البالتين.
• مصدر قدرة (بطارية): يعمل كمضخة للإلكترونات لإجبار التفاعل.
• حركة الأيونات: تتحرك الأيونات الموجبة نحو المهبط (السالب) لتختزل، والأيونات السالبة نحو المصعد (الموجب) لتتأكسد.

في خلية التحليل الكهربائي، تذكر دائماً: المصعد (+) والمهبط (-). هذا عكس الخلية الجلفانية، لكن الوظيفة ثابتة: التأكسد دائماً عند المصعد والاختزال عند المهبط.

عند صهر المادة الكهرلية، تصبح الأيونات حرة الحركة. عند وصل الأقطاب بالبطارية، تنجذب الأيونات للأقطاب المخالفة لها في الشحنة وتحدث تفاعلات الأقطاب مباشرة.

جهد الخلية المعياري: يكون جهد الخلية المعياري $E^o_{cell}$ في خلايا التحليل دائماً سالباً، مما يشير إلى أن التفاعل غير تلقائي.

في حالة مصهور $NaCl$:

• عند المصعد (+): تتأكسد أيونات الكلوريد $2Cl^-_{(l)} \rightarrow Cl_{2(g)} + 2e^-$.
• عند المهبط (-): تختزل أيونات الصوديوم $Na^+_{(l)} + e^- \rightarrow Na_{(l)}$.
• جهد الخلية المحسوب هو $-4.07 V$، مما يعني حاجتنا لمصدر جهد أكبر من $4.07 V$ لإحداث التفاعل.

في المحاليل المائية، لا تقتصر المنافسة على الأيونات فقط، بل يدخل الماء كمنافس قوي على التأكسد والاختزال. نعتمد في التنبؤ بالنواتج على قيم جهود الاختزال المعيارية.

قاعدة التنافس: عند المهبط: يختزل النوع صاحب أعلى جهد اختزال. عند المصعد: يتأكسد النوع صاحب أقل جهد اختزال (أو أعلى جهد تأكسد).

حالات خاصة:

• محلول $KI$: يختزل الماء عند المهبط (لأن جهده $-0.83V$ أعلى من البوتاسيوم $-2.92V$)، وتتأكسد أيونات اليوديد عند المصعد.
• محلول $Na_2SO_4$: يتأكسد الماء عند المصعد ويختزل الماء عند المهبط، لأن أيونات الصوديوم والكبريتات صعبة التأكسد والاختزال مقارنة بالماء.

يعتقد البعض أن الفلزات النشطة (مثل $Na, K, Li$) يمكن استخلاصها من محاليلها؛ الحقيقة أنها لا تختزل في المحاليل المائية أبداً لأن الماء يختزل بدلاً منها.

تعد طريقة (هول-هيروليت) الطريقة الأساسية لاستخلاص الألمنيوم من خام البوكسيت، حيث يُذاب في مصهور الكريوليت لخفض درجة الانصهار.

تآكل الأقطاب: في خلية استخلاص الألمنيوم، تتآكل أقطاب الجرافيت (المصعد) بسبب تفاعلها مع الأكسجين الناتج لتكوين غاز $CO_2$، لذا يجب استبدالها دورياً.

في عملية تنقية النحاس:

• يُجعل النحاس غير النقي مصعداً، وشريحة النحاس النقية مهبطاً.
• تذوب الشوائب النشطة ($Zn, Fe$) في المحلول، بينما تتساقط الشوائب النبيلة ($Au, Ag, Pt$) أسفل المصعد دون أن تتأكسد.

تنقية النحاس تشبه عملية الفرز الدقيق؛ حيث يُسمح فقط لأيونات النحاس بالعبور والترسب على المهبط، بينما تُترك الشوائب خلفاً.

خلايا التحليل الكهربائي — يتناول هذا الدرس مبدأ عمل خلايا التحليل الكهربائي، وكيفية التنبؤ بنواتج تحليل المصاهير والمحاليل المائية بناءً على جهود الاختزال المعيارية، بالإضافة إلى تطبيقاتها الصناعية في استخلاص الألمنيوم وتنقية الفلزات.

تذكير: في الامتحان: اكتب القانون ثم عوّض بالأرقام مع الوحدات.

الهدف: تحديد نواتج التحليل الكهربائي لبعض المحاليل المائية. المواد: أنبوب على شكل U، أقطاب جرافيت، بطارية $3V$، كاشف الفينولفثالين، محلول $KI$، محلول $CuSO_4$.

مشاهدات عملية لتحليل محلولي KI و CuSO4.

الخطوات والاستنتاج:

1. عند تحليل $KI$: يظهر لون زهري عند المهبط (تكون $OH^-$) وتصاعد غاز $H_2$، ويظهر لون بني عند المصعد (تكون $I_2$).
2. عند تحليل $CuSO_4$: يترسب النحاس عند المهبط ويتصاعد غاز الأكسجين عند المصعد.

مراجعة الدرس

• وضح مبدأ عمل خلية التحليل الكهربائي؟
• فسر سبب عدم إمكانية تحضير غاز الفلور بالتحليل الكهربائي لمحلول NaF؟
• توقع نواتج التحليل الكهربائي لمحاليل $MgI_2$ و $Pb(NO_3)_2$ و $CoSO_4$؟
• عند تنقية النيكل، ما القطب الذي يجب أن تمثله القوالب غير النقية؟
• قارن بين كلفة استخلاص الألمنيوم من خامه وكلفة إعادة تدويره؟
• حدد اتجاه حركة الإلكترونات في الدارة الخارجية لخلية التحليل الكهربائي؟