خلايا التحليل الكهربائي

ماذا نفعل بتفاعل لا يحدث من تلقاء نفسه؟

تُستخدَم الطاقة الكهربائيّة لإحداث تفاعل تأكسد واختزال غير تلقائي في خلايا التحليل الكهربائي.

• أُحدّدُ مكوّنات خليّة التحليل الكهربائي ومبدأ عملها.
• أتنبّأُ بنواتج التحليل الكهربائي لمصاهير المركّبات الأيونيّة ومحاليلها.
• أُجري تجارب للتحليل الكهربائي لمحاليل بعض المركّبات الأيونيّة.
• أتوصّلُ إلى تطبيقات خلايا التحليل الكهربائي في الصناعة.

• الخلايا الجلفانيّة تُنتج تيارًا كهربائيًّا بسبب حدوث تفاعل تأكسد واختزال تلقائي فيها.
• يُستفاد منها بوصفها مصدرًا للطاقة في تشغيل العديد منَ الأجهزة الكهربائيّة.
• في المقابل هناك تفاعلاتُ تأكسد واختزال لا تحدث بشكل تلقائي، ويتطلّبُ حدوثُها تزويدَها بطاقة كهربائيّة من مصدر خارجي.

• جهد هذه الخليّة يكون سالبًا.

• لعمليّة التحليل الكهربائي أهميّة كبيرة؛ فعن طريقها:
• تُشحَن البطّاريات.
• تُستعمَل في استخلاص بعض الفلزّات النشطة من مصاهيرها، مثل الصوديوم والألمنيوم.
• تُستخدَم في تنقية الفلزّات والطّلاء الكهربائي لبعضها، سواء لحمايتها منَ التآكل أو لإكسابها مظهرًا جميلًا (الشكل 12).

ماذا يحدث للأيونات عند القطبين؟

ممَّ تتكوّن خليّة التحليل الكهربائي؟ وما آليّة عملها؟ وهل تختلف نواتج التحليل الكهربائي لمصهور المادّة عن محلولها؟

• مكوّنات الخليّة:
• وعاء يحتوي على مصهور مادّة أيونيّة.
• أقطاب خاملة منَ الجرافيت أو البلاتين.
• بطّاريّة وأسلاك توصيل.

• يحتوي مصهور المادّة الأيونيّة على أيونات موجبة وسالبة.
• عند تمرير تيار كهربائي فيه تتحرّك الأيونات باتّجاه الأقطاب المخالفة لها في الشحنة.
• الأيونات الموجبة تتحرّك باتّجاه القطب السالب (المِهبط) وتُختزَل.
• الأيونات السالبة تتحرّك باتّجاه القطب الموجب (المِصعد) وتتأكسد.
• التفاعل الذي يحدث في الخليّة غير تلقائي؛ لذا يجب أن يكون جهد البطّاريّة المُستخدَمة لإحداثه أكبرَ من القيمة المطلقة لجهد الخليّة المعياري.

فكيف يبدو ذلك في مصهور مركّب أيوني بسيط؟

كلوريد الصوديوم المنصهر: ماذا يتكوّن عند المِهبط؟

• يحتوي مصهور ⁦NaCl⁩ على أيونات الصوديوم والكلوريد، كما هو موضّح في المعادلة الآتية:
• $\text{NaCl}_{(l)} \rightarrow \text{Na}^+_{(l)} + \text{Cl}^-_{(l)}$
• عند إغلاق الدارة الكهربائيّة ومرور تيّار كهربائي عبرَ الأسلاك تتحرّك أيونات الصوديوم باتّجاه المِهبط، وتحدث لها عمليّة اختزال، وتتكوّن ذرّات الصوديوم (الشكل 14):
• نصف تفاعل الاختزال / مِهبط:
• $\text{Na}^+_{(l)} + e^- \rightarrow \text{Na}_{(l)}$

وعند المِصعد: كيف نجمع النصفين؟

• أمّا أيونات الكلوريد فتتحرّك باتّجاه المِصعد، حيث تتأكسد مكوّنةً غاز الكلور، كما في المعادلة الآتية:
• نصف تفاعل التأكسد / مِصعد:
• $2\text{Cl}^-_{(l)} \rightarrow \text{Cl}_{2(g)} + 2e^-$
• لإيجاد التفاعل الكلّيّ في الخليّة يُجمَع نصف تفاعل التأكسد ونصف تفاعل الاختزال بعد مساواة عدد الإلكترونات المفقودة والمُكتسَبة.
• بعد مساواة الإلكترونات:
• $2\text{Na}^+_{(l)} + 2e^- \rightarrow 2\text{Na}_{(l)}$
• التفاعل الكلّيّ:
• $\begin{gathered}2\text{Na}^+_{(l)} + 2\text{Cl}^-_{(l)} \\ \rightarrow 2\text{Na}_{(l)} + \text{Cl}_{2(g)}\end{gathered}$

هل يحدث التفاعل من تلقاء نفسه؟

• يمكن حساب جهد الخليّة المعياري بالرُّجوع إلى الجدول (2)، ومعرفة قِيَم جهود الاختزال المعياريّة، كالآتي:
• $\begin{gathered}\text{Na}^+_{(aq)} + e^- \rightleftharpoons \text{Na}_{(l)} \\ E^{\circ}_{Na} = -2.71\ \text{V}\end{gathered}$
• $\begin{gathered}\text{Cl}_{2(g)} + 2e^- \rightleftharpoons 2\text{Cl}^-_{(aq)} \\ E^{\circ}_{Cl_2} = 1.36\ \text{V}\end{gathered}$

• $E^{\circ}_{cell} = -2.71 - 1.36 = -4.07\ V$
• جهد الخليّة المعياري للتفاعل سالب؛ ويعني ذلك أنَّ التفاعل غير تلقائي.
• يحدث التفاعل بسبب تزويد الخليّة بفرق جهد كهربائي منَ البطّاريّة يزيد على القيمة المطلقة لجهد الخليّة المعياري؛ أي أكبر من $4.07\ \text{V}$.
• تُستخدَم عمليّة تحليل مصهور ⁦NaCl⁩ كهربائيًّا لاستخلاص الصوديوم صناعيًّا.
• كما تُستخلَص معظم الفلزّات النشطة، مثل الليثيوم والبوتاسيوم غالبًا، من مصاهير كلوريداتها بتحليلها كهربائيًّا.

لماذا يختلف المحلول عن المصهور؟

• يحتوي المحلول المائي للمادّة الأيونيّة على الأيونات الموجبة والسالبة الناتجة عن تفكّكها، وعلى جزيئات الماء.
• عند التحليل الكهربائي لمحلول مائي لمركّب أيوني يُحتمَل حدوث تأكسد للأيونات السالبة أو لجزيئات الماء.
• كذلك يُحتمَل أن يحدث اختزال للأيونات الموجبة أو لجزيئات الماء في المحلول.
• قد تختلف نواتج عمليّة التحليل الكهربائي لمصهور مركّب أيوني عنها لمحلوله.

فكيف نتنبّأ بنواتج التحليل الكهربائي لمحاليل المركّبات الأيونيّة؟

محلول يوديد البوتاسيوم: من يُختزَل عند المِهبط؟

• يتفكّك يوديد البوتاسيوم في الماء، حسب المعادلة:
• $\text{KI}_{(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{K}^+_{(aq)} + \text{I}^-_{(aq)}$
• عند المِهبط يُحتمَل اختزال أيونات البوتاسيوم أو جزيئات الماء. وبالرُّجوع إلى جهود الاختزال المعياريّة لكلٍّ منَ البوتاسيوم والماء:
• $\begin{gathered}\text{K}^+_{(aq)} + e^- \rightleftharpoons \text{K}_{(s)} \\ E^{\circ}_{K} = -2.92\ \text{V}\end{gathered}$
• $\begin{gathered}2\text{H}_2\text{O}_{(l)} + 2e^- \rightleftharpoons \text{H}_{2(g)} + 2\text{OH}^-_{(aq)} \\ E^{\circ}_{H_2O} = -0.83\ \text{V}\end{gathered}$
• جهد اختزال الماء أعلى من جهد اختزال البوتاسيوم؛ أي أنَّ الماء أسهلُ اختزالًا من أيونات البوتاسيوم.
• يُختزَل الماء، حسب المعادلة:
• $\begin{gathered}2\text{H}_2\text{O}_{(l)} + 2e^- \\ \rightarrow \text{H}_{2(g)} + 2\text{OH}^-_{(aq)}\end{gathered}$

وعند المِصعد: اليوديد أم الماء؟

• أمّا عند المِصعد فيُحتمَل تأكسد أيونات اليوديد أو جزيئات الماء. وبالرُّجوع إلى الجدول (2) وكتابة أنصاف تفاعلات الاختزال المطلوبة وجهود الاختزال المعياريّة لكلٍّ منها:
• $\begin{gathered}\text{O}_{2(g)} + 4\text{H}^+_{(aq)} + 4e^- \rightleftharpoons 2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \\ E^{\circ} = 1.23\ \text{V}\end{gathered}$
• $\begin{gathered}\text{I}_{2(s)} + 2e^- \rightleftharpoons 2\text{I}^-_{(aq)} \\ E^{\circ} = 0.54\ \text{V}\end{gathered}$
• التفاعل العكسي في المعادلة الأولى يمثّل تأكسد الماء، ويمثّل في المعادلة الثانية تأكسد أيون اليوديد.
• جهد التأكسد المعياريّ = − جهد الاختزال المعياري لنصف التفاعل.
• جهد تأكسد الماء يساوي $(−1.23\ \text{V})$، أما جهد تأكسد اليود فيساوي $(−0.54\ \text{V})$.
• جهد تأكسد اليود أعلى من جهد تأكسد الماء؛ ومن ثَمّ فإنَّه أسهلُ تأكسدًا منَ الماء.
• تتأكسد أيونات اليوديد وينتج اليود عند المِصعد.

ما التفاعل الكلّيّ، وما الجهد اللازم؟

• أمّا التفاعل الكلّيّ؛ فهو مجموع نصفي تفاعل التأكسد والاختزال:
• نصف تفاعل التأكسد:
• $2\text{I}^-_{(aq)} \rightarrow \text{I}_{2(s)} + 2e^-$
• نصف تفاعل الاختزال:
• $\begin{gathered}2\text{H}_2\text{O}_{(l)} + 2e^- \\ \rightarrow \text{H}_{2(g)} + 2\text{OH}^-_{(aq)}\end{gathered}$
• التفاعل الكيميائي الكلّي:
• $\begin{gathered}2\text{H}_2\text{O}_{(l)} + 2\text{I}^-_{(aq)} \\ \rightarrow \text{H}_{2(g)} + 2\text{OH}^-_{(aq)} + \text{I}_{2(s)}\end{gathered}$
• يتفق ذلك مع النتائج العمليّة لتحليل محلول ⁦KI⁩ كهربائيًّا؛ إذ يُلاحظُ تَكَوُّن اليود عند المِصعد وتصاعدُ غاز الهيدروجين عند المِهبط.
• كما يتكوّن محلول قاعدي من هيدروكسيد البوتاسيوم ⁦KOH (⁩الشكل 15).

• $E^{\circ}_{cell} = -0.83 - 0.54 = -1.37\ V$
• جهد البطّاريّة اللازم لإحداث التفاعل يزيد على $1.37\ \text{V}$.

محلول بروميد النحاس: لماذا يترسب النحاس لا الهيدروجين؟

• يتفكّك بروميد النحاس في الماء، حسب المعادلة الآتية:
• $\text{CuBr}_{2(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{Cu}^{2+}_{(aq)} + 2\text{Br}^-_{(aq)}$
• عند المِهبط يُحتمَل اختزال أيونات النحاس أو جزيئات الماء. وبالرُّجوع إلى جهود الاختزال المعياريّة لكلٍّ منَ النحاس والماء:
• $\begin{gathered}\text{Cu}^{2+}_{(aq)} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}_{(s)} \\ E^{\circ} = 0.34\ \text{V}\end{gathered}$
• $\begin{gathered}2\text{H}_2\text{O}_{(l)} + 2e^- \rightarrow \text{H}_{2(g)} + 2\text{OH}^-_{(aq)} \\ E^{\circ} = -0.83\ \text{V}\end{gathered}$
• جهد اختزال النحاس أعلى منه للماء؛ لذلك تكون أيونات النحاس أسهل اختزالًا عند المِهبط، حيث يُلاحظ تَكَوُّن النحاس، أنظرُ الشكل (16):
• $\text{Cu}^{2+}_{(aq)} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}_{(s)}$

وعند المِصعد: البروميد أم الماء؟

• أمّا عند المِصعد فيُحتَمَلُ تأكسدُ أيونات البروميد أو جزيئات الماء. وبالرُّجوع إلى جدول (2) وكتابة أنصاف تفاعلات الاختزال المطلوبة وجهود الاختزال المعياريّة لكلٍّ منها:
• $\begin{gathered}\text{O}_{2(g)} + 4\text{H}^+_{(aq)} + 4e^- \rightleftharpoons 2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \\ E^{\circ} = 1.23\ \text{V}\end{gathered}$
• $\begin{gathered}\text{Br}_{2(l)} + 2e^- \rightleftharpoons 2\text{Br}^-_{(aq)} \\ E^{\circ} = 1.07\ \text{V}\end{gathered}$
• التفاعل العكسي في المعادلة الأولى يمثّل تأكسد الماء، ويمثّل في الثانية تأكسد أيون البروميد.
• جهد تأكسد الماء يساوي $(−1.23\ \text{V})$، أما جهد تأكسد البروم فيساوي $(−1.07\ \text{V})$.
• جهد تأكسد البروم أعلى منه للماء، أي أنّ أيونات البروميد أسهلُ تأكسدًا.
• يُلاحظ تَكَوُّن البروم عند المِصعد حسب المعادلة:
• نصف تفاعل التأكسد:
• $2\text{Br}^-_{(aq)} \rightarrow \text{Br}_{2(l)} + 2e^-$

التفاعل الكلّيّ وجهد البطّاريّة

• أمّا التفاعل الكلّيّ فهو مجموع نصفي تفاعل التأكسد والاختزال:
• نصف تفاعل الاختزال:
• $\text{Cu}^{2+}_{(aq)} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}_{(s)}$
• التفاعل الكيميائي الكلّيّ:
• $\begin{gathered}\text{Cu}^{2+}_{(aq)} + 2\text{Br}^-_{(aq)} \\ \rightarrow \text{Cu}_{(s)} + \text{Br}_{2(l)}\end{gathered}$
• يتفق ذلك مع النواتج العمليّة لتحليل محلول ⁦CuBr₂⁩ كهربائيًّا؛ إذ يُلاحظ تَكَوُّن البروم عند المِصعد وتكوُّن النحاس عند المِهبط.

• $E^{\circ}_{cell} = 0.34 - 1.07 = -0.73\ V$
• أي أنَّ جهد البطّاريّة اللازم لإحداث التفاعل يزيد على $0.73\ \text{V}$.

كبريتات الصوديوم: من يُختزَل عند المِهبط؟

• تتفكّك كبريتات الصوديوم في الماء، حسب المعادلة:
• $\text{Na}_2\text{SO}_{4(s)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} 2\text{Na}^+_{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}{}_{(aq)}$
• عند المِهبط يُحتمَل اختزال أيونات الصوديوم أو جزيئات الماء. وبالرُّجوع إلى جهود الاختزال المعياريّة لكلٍّ منها:
• $\begin{gathered}\text{Na}^+_{(aq)} + e^- \rightarrow \text{Na}_{(s)} \\ E^{\circ} = -2.71\ \text{V}\end{gathered}$
• $\begin{gathered}2\text{H}_2\text{O}_{(l)} + 2e^- \rightarrow \text{H}_{2(g)} + 2\text{OH}^-_{(aq)} \\ E^{\circ} = -0.83\ \text{V}\end{gathered}$
• جهد اختزال الماء أعلى منه لأيونات الصوديوم؛ لذلك يكون أسهلَ اختزالًا عند المِهبط، حيث يتكوّن غاز الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد.

وعند المِصعد: لماذا يُحلَّل الماء نفسه؟

• أمّا عند المِصعد، فيُحتمَل تأكسد أيونات الكبريتات أو جزيئات الماء.
• قد لوحظَ عمليًّا تصاعدُ غاز الأكسجين عند المِصعد؛ الذي يدل على تأكسد جزيئات الماء، حسب المعادلة:
• نصف تفاعل التأكسد:
• $\begin{gathered}2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \\ \rightarrow \text{O}_{2(g)} + 4\text{H}^+_{(aq)} + 4e^-\end{gathered}$
• أمّا التفاعل الكيميائي الكلّيّ فمجموع نصفي تفاعل التأكسد والاختزال:
• نصف تفاعل الاختزال:
• $\begin{gathered}4\text{H}_2\text{O}_{(l)} + 4e^- \\ \rightarrow 2\text{H}_{2(g)} + 4\text{OH}^-\end{gathered}$
• جمع النصفين:
• $\begin{gathered}6\text{H}_2\text{O}_{(l)} \\ \rightarrow 2\text{H}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)} + 4\text{H}^+_{(aq)} + 4\text{OH}^-_{(aq)}\end{gathered}$
• اتّحاد الأيونات:
• $\begin{gathered}4\text{H}^+_{(aq)} + 4\text{OH}^-_{(aq)} \\ \rightarrow 4\text{H}_2\text{O}_{(l)}\end{gathered}$
• التفاعل الكلّيّ:
• $2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightarrow 2\text{H}_{2(g)} + \text{O}_{2(g)}$
• أي أنَّ ما حدث عند تحليل محلول كبريتات الصوديوم كهربائيًّا هو تحليل الماء كهربائيًّا، حيث تأكسدت جزيئات الماء واختُزِلَت مُكَوِّنَةً غازي الأكسجين والهيدروجين.

القاعدة العامّة: كيف نتنبّأ بنواتج أيّ محلول؟

• يُلاحَظُ من دراسة الأمثلة السابقة:
• عند المِهبط يُحتمَل أن تُختزَل الأيونات الموجبة أو جزيئات الماء، وعند المِصعد أن تتأكسد الأيونات السالبة أو جزيئات الماء.
• التفاعل الذي يحدث يعتمد بشكل عام على جهود الاختزال المعياريّة لكلٍّ منهما.
• سلوكُ أيون معيَّن هو نفسُه خلال عمليّة التحليل الكهربائي دون النظر إلى مصدره.
• بعضُ الأيونات متعدِّدة الذرّات لا تتأثّر عند تحليل محاليلها كهربائيًّا، مثل ⁦NO₃⁻⁩ و ⁦SO₄²⁻⁩.

1. حدّد المتنافسين: اكتب الأيونات الموجبة والسالبة في المحلول، وتذكّر أنّ جزيئات الماء تنافسها عند القطبين.
2. عند المِهبط: قارن جهد اختزال الأيون الموجب بجهد اختزال الماء؛ يُختزَل الأعلى جهدًا.
3. عند المِصعد: قارن جهدي التأكسد، وكلٌّ منهما سالب جهد الاختزال؛ يتأكسد الأعلى جهد تأكسد.
4. الأيونات متعدّدة الذرّات: لا تتأثّر؛ يتأكسد الماء بدلًا منها عند المِصعد.
5. اجمع النصفين: اكتب نصفي التأكسد والاختزال، وساوِ عدد الإلكترونات، ثم اجمعهما.
6. تحقّق من الجهد: اطرح جهد المِصعد من جهد المِهبط؛ يزيد جهد البطّاريّة على القيمة المطلقة للناتج.

أفسّر دور كبريتات الصوديوم في عمليّة التحليل الكهربائي للماء.

أكتبُ التفاعل الذي يحدث عند كلٍّ منَ المِصعد والمِهبط عند تحليل محلول ⁦NiBr₂⁩ كهربائيًّا باستخدام أقطاب منَ الجرافيت.

أُفَسِّرُ، بالاستعانة بالمعادلات. عند تحليل محلول ⁦CuSO₄⁩ كهربائيًّا يتحوّل تدريجيًّا إلى محلول ⁦H₂SO₄⁩.

أين نستفيد من خلايا التحليل في الصناعة؟

• تعملُ خلايا التحليل الكهربائي على تحويل الطاقة الكهربائيّة إلى طاقة كيميائيّة.
• يُستخدَم تيّار كهربائي يُجبِرُ تفاعلي تأكسد واختزال غير تلقائيين على الحدوث، كما في إعادة شحن البطّاريات.
• لهذه الخلايا تطبيقات مهمّة في الصناعة، مثل استخلاص الفلزّات النشطة من مصاهير خاماتها.
• تنقية الفلزّات لاستخدامها في المجالات التي تحتاج إلى فلزّات نقيّة بدرجة كبيرة.

كيف نستخلص الألمنيوم من البوكسيت؟

• الألمنيوم من أكثر الفلزّات انتشارًا في القشرة الأرضيّة، وهو منَ الفلزّات النشطة.
• يُستخلَص من خام البوكسيت $Al_2O_3 \cdot 2H_2O$ بطريقة هول–هيروليت، حيث:
• يُعالَج الخامُ لتخليصه منَ الشوائب.
• ثمَّ يُسخَّن لتحويله إلى أكسيد الألمنيوم.
• يُذاب في مصهور الكريوليت ⁦Na₃AlF₆⁩؛ فتَنخفض درجة انصهاره نحوَ $1000°\text{C}$.
• تُسمّى خليّة التحليل الكهربائي لمصهور أكسيد الألمنيوم خليّة هول–هيروليت.

ماذا يحدث عند قطبَي خليّة الألمنيوم؟

• عند التحليل الكهربائي يحدث اختزال لأيونات الألمنيوم عند المِهبط.
• يتكوَّن الألمنيوم الذي يتجمَّع أسفلَ الخليّة، حيث يُسحَب من مَخرَج خاصّ.
• معادلة تفاعل المِهبط / اختزال:
• $\text{Al}^{3+}_{(l)} + 3e^- \rightarrow \text{Al}_{(l)}$
• أمّا عند المِصعد فتتأكسد أيونات الأكسجين مُكوِّنَةً غاز الأكسجين، حسب المعادلة:
• معادلة تفاعل المِصعد / التأكسد:
• $2\text{O}^{2-}_{(l)} \rightarrow \text{O}_{2(g)} + 4e^-$
• يتفاعل الأكسجين الناتج مع أقطاب الجرافيت مُكوِّنًا ثاني أكسيد الكربون، حسب المعادلة:
• $\text{C}_{(s)} + \text{O}_{2(g)} \rightarrow \text{CO}_{2(g)}$
• ممّا يؤدّي إلى تآكلها، فيجري تغييرُها بشكل دوري.
• يمكن تلخيص التفاعل الكلّيّ الذي يحدث في الخليّة بالمعادلة الآتية:
• لمساواة الإلكترونات:
• $4\text{Al}^{3+}_{(l)} + 12e^- \rightarrow 4\text{Al}_{(l)}$
• $6\text{O}^{2-}_{(l)} \rightarrow 3\text{O}_{2(g)} + 12e^-$
• $\begin{gathered}4\text{Al}^{3+}_{(l)} + 6\text{O}^{2-}_{(l)} \\ \rightarrow 4\text{Al}_{(l)} + 3\text{O}_{2(g)}\end{gathered}$
• مع تفاعل الأكسجين والجرافيت:
• $\begin{gathered}2\text{Al}_2\text{O}_{3(l)} + 3\text{C}_{(s)} \\ \rightarrow 4\text{Al}_{(l)} + 3\text{CO}_{2(g)}\end{gathered}$

لماذا تُقام مصانع الألمنيوم قرب محطّات الطاقة؟

• نظرًا إلى أنَّ عمليّة استخلاص الألمنيوم تستهلك كميّات هائلة منَ الطاقة:
• تُقام مصانع إنتاجه بالقرب من محطّات الطاقة الكهربائيّة لتوفير كُلفة نقل الطاقة.
• يُركَّزُ بشكل كبير على عمليّة إعادة تدويره؛ إذ تبلغ كميّة الطاقة اللازمة لإعادة التدوير نحوَ 5% منَ الطاقة اللازمة لاستخلاصه من خام البوكسيت.

أُفَسِّرُ -بالاستعانة بمعادلات كيميائيّة- استبدالَ أقطاب الجرافيت المُستخدَمَةِ في خليّة هول–هيروليت بشكل دوري.

لماذا ننقّي النحاس، وكيف نُعِدّ الخليّة؟

• تحتاج بعض استخدامات الفلزّات إلى أن تكون نقيّة تمامًا.
• مثلًا: يجب أن يكون النحاس المُستخدَم في التمديدات الكهربائيّة نقيًّا.
• لِذا تُستخدَم عمليّةُ التحليل الكهربائي في تنقية الفلزّات مثل النحاس بعد عمليات استخلاصه من خاماته.
• يحتوي النحاس المستخلَص على شوائبَ، مثل الخارصين، والحديد، والذهب، والفضّة، والبلاتين.
• يُشَكَّلُ النُّحاس غير النَّقي على شكل قوالب تمثّل المِصعد في خليّة التحليل الكهربائي.
• يوصَل المِهبط بشريحة رقيقة منَ النحاس النقي.
• ثمَّ يُغمَران في محلول كبريتات النحاس ⁦CuSO₄⁩.

أين تذهب الشوائب عند التنقية؟

• عند تمرير تيّار كهربائي في الخليّة تحدث التفاعلات الآتية:
• تفاعل المِصعد / تأكسد:
• $\text{Cu}_{(s)} \rightarrow \text{Cu}^{2+}_{(aq)} + 2e^-$
• تفاعل المِهبط / اختزال:
• $\text{Cu}^{2+}_{(aq)} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}_{(s)}$
• تتأكسد ذرات النحاس إلى أيونات ⁦Cu²⁺⁩ وتنتقل لتختزل وتترسب على المِهبط، كما في الشكل (18).
• تتأكسد ذرّات الفلزّات (الشوائب) التي تمتلك جهد اختزال أقلّ منَ النحاس، مثل الخارصين والحديد، مُكَوِّنَةً أيونات ⁦Zn²⁺⁩ و ⁦Fe²⁺⁩ على الترتيب.
• تبقى هذه الأيونات ذائبة في المحلول.

• أمّا الذهب والفضّة والبلاتين فإنَّ جهدَ اختزالها أعلى من جهد الخلية المستخدم؛ لذلك لا تتأكسد ذرّاتُها، وتتجمَّع في قاع الخليّة.
• تكون درجة نقاوة النحاس الناتج نحوَ 99.9%.

أُفسِّر: لا تُختزَل أيونات ⁦Fe²⁺⁩ و ⁦Zn²⁺⁩، التي توجد ذرّاتها على شكل شوائب مع النحاس خلال عمليّة تنقيته بالتحليل الكهربائي.

تجربة: ماذا يظهر عند القطبين في محلولين؟

أَصِفُ التغيُّرات التي حدثت عند تحليل محلول كلٍّ من يوديد البوتاسيوم وكبريتات النحاس كهربائيًّا عند كلٍّ منَ المِصعد والمِهبط وأُفسّرها.

ما نواتج تحليل كلٍّ من محلول يوديد البوتاسيوم وكبريتات النحاس كهربائيًّا؟

أكتبُ معادلة كيميائيّة تمثّل التفاعل الذي حدث عند المِصعد لكلِّ محلول.

ماذا نفعل بالبطّاريات المستعملة؟

• تُستخدَم البطّاريات لتزويد أجهزة مختلفة بالطاقة؛ تشمل السياراتِ والهواتف وأجهزة الحاسوب وغيرها.
• عندما تنفدُ البطّاريّة أو تتلفُ تُرمى، ويؤدّي ذلك إلى تراكم كمّيّات كبيرة من النّفايات الخطرة.
• تحتوي البطّاريات على موادّ كيميائيّة سامة وفلزّات ثقيلة، ينتجُ عن تراكمها ودفنها مخاطرُ بيئيّة.
• قد تسبّب تلوُّث المياه والتربة.

كيف تُجمَع بطّاريّة الرصاص وتُفرَز؟

• تُعَدُّ بطّاريات الرصاص الحمضيّة من أقدم أنواع البطّاريات القابلة لإعادة الشحن في العالَم.
• لإعادة تدويرها أهميّة كبيرة في صناعة الرصاص؛ حيث يمثّل الرصاص المُعاد استخدامُه نحوَ 47% من إجمالي الرصاص المُستخدَم عالميًّا.
• تشمل عمليّة إعادة التدوير مراحل عدّة، هي:
• التجميع: يُقصد به تجميع بطّاريات الرصاص المُستخدَمة، وغالبًا ما يكون ذلك لدى باعة البطّاريات، حيث تجمعها الشركات التي تُعيد تدويرها.
• التكسير: تُفكَّك البطّاريّة في منشأة إعادة التدوير، وتُسحَق مكوّناتها باستخدام أدوات خاصّة، فتتحوَّل إلى شظايا.
• الفرز: فصل أجزاء البطّاريّة بفرز المكوِّنات البلاستيكيّة والورقيّة عنِ الرصاص والفلزّات الثقيلة، وسحب السائل الموجود فيها.

ما مصير البلاستيك والرصاص؟

• القطع البلاستيكيّة: تُغسَل وَتُجفَّف ثمَّ تُرسَل إلى وحدة تدوير البلاستيك.
• في وحدة تدوير البلاستيك تُصهَر وَتُشكَّل آليًّا على شكل كُرات من مادّة البولي بروبلين.
• تُستخدَم الكُرات مرّةً أخرى لإنتاج صناديق بطّاريات الرصاص الحمضيّة، ويمكن استخدامها في صناعة منتجات أخرى.
• ألواح الرصاص وأكسيدُه ومركّباتُه الأخرى تُصهَر معًا في أفران الصَّهر، ثمَّ تُصَبُّ في قوالب.
• تُزال الشوائب المعروفة باسم الخَبَث من فوق سطح مصهور الرصاص.
• تُترَك السبائك لتبردَ وتتصلَّب، ثمَّ تُرسَل إلى الشركات المُصنِّعة للبطّاريات، حيث تُستخدَم في إنتاج ألواح جديدة من الرصاص وأكسيده.

وما مصير حمض الكبريتيك؟

• حمض الكبريتيك، وهو المُكوِّن السائل في البطّاريّة، يجري التعامل معه بطريقتين.
• الأولى: مفاعلة الحمض مع مركّب كيميائي قاعدي؛ فينتج الملح والماء.
• ثمَّ يجري تجميع المياه الناتجة ومعالجتها ضمن مواصفات محددة والتخلّص من الماء في شبكة الصرف الصحي.
• الثانية: تحويل الحمض إلى كبريتات الصوديوم ⁦Na₂SO₄⁩، ثمَّ استخدامه في صناعة منظِّفات الغسيل والزجاج والمنسوجات.

مراجعة الوحدة: قارن وفسّر ووازن

أُقارنُ بين الخليّة الجلفانيّة وخليّة التحليل الكهربائي من حيث:

أ. تحوُّلات الطاقة في كلٍّ منهما. ب. شحنة كلٍّ من المِصعد والمِهبط.

جـ. تلقائيّة تفاعل التأكسد والاختزال. د. إشارة جهد الخليّة المعياري $E^\circ_{cell}$.

أُفسِّر:

أ. يُخلَط أكسيد الألمنيوم ⁦Al₂O₃⁩ بالكريوليت خلال عمليّة استخلاص الألمنيوم بطريق هول – هيروليت.

ب. تَفقِد بطّاريّة السيّارة صلاحيّتها بعد بضع سنوات من استخدامها، على الرغم من إمكانيّة إعادة شحنها نظريًّا عددًا لا نهائيًّا من المرّات.

تمثّل المعادلة الكيميائيّة الآتية تفاعل تأكسد واختزال يحدث في خليّة جلفانيّة. أدرسه جيِّدًا، ثمَّ أُجيب عن الأسئلة التي تليه:

$\begin{gathered}\text{MnO}_4^-{}_{(aq)} + \text{Cl}^-_{(aq)} \\ \rightarrow \text{Mn}^{2+}_{(aq)} + \text{Cl}_{2(g)}\end{gathered}$ أ. أكتبُ نصفي تفاعل التأكسد والاختزال.

ب. أكتبُ معادلة التفاعل الكلّيّ الموزونة (في وسط حمضي).

جـ. هل يحدث هذا التفاعلُ تلقائيًّا؟ (أستعينُ بجدول جهود الاختزال المعياريّة).

أدرسُ معادلة التفاعل الكيميائي، التي تتضمّن رموزًا افتراضيّةً للفلزّ ⁦X⁩ واللافلز ⁦Y⁩ وعنصر الهيدروجين، ثمَّ أُجيبُ عن الأسئلة التي تليها:

$2\text{X}_{(s)} + 3\text{H}_2\text{Y} \rightarrow \text{X}_2\text{Y}_3 + 3\text{H}_{2(g)}$ أ. أُحَدِّدُ التغيّر في عدد تأكسد ⁦X⁩. ب. أُحَدِّدُ التغيّر في عدد تأكسد ⁦H⁩. جـ. أُحَدِّدُ العامل المؤكسد.

أُوازن معادلات التأكسد والاختزال الآتية بطريقة نصف التفاعل، وَأُحَدِّدُ العامل المؤكسد والعامل المُختزل:

أ. $\text{MnO}_4^{2-} \rightarrow \text{MnO}_4^- + \text{MnO}_2$ (وسط قاعدي) ب. $\begin{gathered}\text{S}_2\text{O}_3^{2-} + \text{IO}_3^- + \text{Cl}^- \\ \rightarrow \text{ICl}_2^- + \text{SO}_4^{2-}\end{gathered}$ (وسط حمضي)

خليّة جلفانيّة مكوَّنة من نصف خليّة الرصاص ⁦Pb⁩|⁦Pb²⁺⁩ ونصف خليّة الكروم ⁦Cr⁩|⁦Cr³⁺⁩. إذا عَلِمتُ أنّ تركيز أيونات ⁦Cr³⁺⁩ يزداد عند تشغيل الخليّة، فأُجيبُ عمّا يأتي:

أ. أُحَدِّدُ المِصعد والمِهبط في الخليّة الجلفانيّة. ب. أتوقعُ التغيُّر على كتلة قطب الرصاص مع استمرار تشغيل الخليّة.

جـ. أكتبُ معادلة موزونة تمثّل التفاعل الكلّيّ الذي يحدث في الخليّة.

د. أستعين بجدول جهود الاختزال المعياريّة في حساب جهد الخليّة المعياري ($E^\circ_{cell}$).

مراجعة الوحدة: جدول جهود الاختزال والخلايا

خليّةُ تحليل كهربائي تحتوي على محلول بروميد الليثيوم ⁦LiBr⁩. بالرُّجوع إلى جدول جهود الاختزال المعياريّة؛ أُجيبُ عنِ الأسئلة الآتية:

أ. أكتبُ معادلة التفاعل الذي يحدث عند المِصعد.

ب. أستنتجُ: ما ناتج التحليل الكهربائي عند المِهبط؟

جـ. أحسبُ: ما مقدار جهد البطّاريّة اللازم لإحداث عمليّة التحليل الكهربائي؟

عند استخدام آلة تصوير ذات بطّاريّة قابلة لإعادة الشحن:

أ. أُقارِنُ تحوُّلات الطاقة خلال عمليتي الاستخدام والشحن.

ب. أُفسِّرُ: تعمل هذه البطّاريّة كخليّة جلفانيّة وخليّة تحليل كهربائي.

اختر الإجابة الصحيحة: التأكسد والاختزال

المادّة التي اختُزِلت في التفاعل الآتي:

$\text{TiO}_2 + 2\text{Cl}_2 + \text{C} \rightarrow \text{TiCl}_4 + \text{CO}_2$ هي: أ. ⁦C⁩

• ب. Cl₂

• جـ. TiO₂

• د. TiCl₄

عدد تأكسد البورون ⁦B⁩ في المركَّب ⁦NaBH₄⁩ يساوي:

• أ. ⁦+3⁩

• ب. ⁦+5⁩

• جـ. ⁦−5⁩

• د. ⁦−3⁩

إحدى العبارات الآتية صحيحة:

• أ. العامل المختزل يسبب تأكسد مادة أخرى في التفاعل الكيميائي.

• ب. العامل المؤكسد يسبب اختزال مادة أخرى في التفاعل الكيميائي.

• جـ. تحتوي تفاعلات التأكسد والاختزال جميعها على عامل مؤكسد وعامل مختزل.

• د. يحتوي تفاعلُ التأكسد والاختزال على عامل مؤكسد أو عامل مختزل.

العبارة الصحيحة في معادلة التفاعل الموزونة الآتية:

$\begin{gathered}\text{IO}_3^-{}_{(aq)} + 5\text{I}^-_{(aq)} + 6\text{H}^+_{(aq)} \\ \rightarrow 3\text{I}_{2(aq)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(l)}\end{gathered}$ هي:

• أ. عدد تأكسد اليود في ⁦IO₃⁻⁩ يساوي +7.

• ب. العامل المؤكسد في التفاعل هو ⁦I⁻⁩.

• جـ. يُعَدُّ التفاعل تأكسدًا واختزالًا ذاتيًّا.

• د. تأكسدت ذرّات اليود (أو أيوناته) واختُزِلَت في التفاعل.

التفاعل الذي يسلُكُ فيه الهيدروجين بوصفه عاملًا مؤكسدًا هو:

أ.

ب.

جـ.

د.

مقدار التغيُّر في عدد تأكسد ذرّة الكربون ⁦(C)⁩، عند تحوُّل الأيون ⁦C₂O₄²⁻⁩ إلى جزيئي ثاني أكسيد الكربون ⁦CO₂⁩ هو:

• أ. 0

• ب. 1

• جـ. 2

• د. 4

أحدُ التغيُّرات الآتية يحتاج إلى عامل مؤكسد:

أحدُ التفاعلات غير الموزونة الآتية يمثّل تفاعلَ تأكسد واختزال ذاتي:

عدد مولات الإلكترونات اللازمة لموازنة نصف التفاعل الآتي في وسط حمضي، هو:

• أ. 2

• ب. 4

• جـ. 3

• د. 1

عدد مولات أيونات الهيدروكسيد ⁦OH⁻⁩ اللازم إضافتها إلى طرفي المعادلة لموازنة التفاعل الآتي في وسط قاعدي، MnO_4^- + H_2O_2 → MnO_2 + O_2 هو: أ. ⁦8OH⁻⁩

• ب. ⁦6OH⁻⁩

• جـ. ⁦4OH⁻⁩

• د. ⁦2OH⁻⁩

إذا كان التفاعل الآتي يحدث في إحدى الخلايا الجلفانيّة A + B2+ → A2+ + B فإن: أ. القطب السالب هو ⁦B⁩.

• ب. كتلة القطب ⁦A⁩ تزداد.

• جـ. تركيز أيونات ⁦A²⁺⁩ يزداد.

• د. الإلكترونات تتحرَّك من القطب ⁦B⁩ إلى القطب ⁦A⁩.

اختر الإجابة الصحيحة: ترتيب الفلزّات وجهود الخلايا

يتضمَّن الجدول المجاور رموز ثلاث خلايا جلفانيّة، يُشكِّلُ الفلزُّ ⁦X⁩ أحد أقطابها مع أحد الفلزّات ذات الرُّموز الافتراضيّة ⁦M⁩، ⁦N⁩، ⁦L⁩ ومعلومات عنها. أدرسُهُ جيِّدًا، ثمَّ أُجيبُ عن الأسئلة 12 و 13 و 14.

أُرَتِّبُ الفلزّاتِ ⁦X, L, N, M⁩ حسب قوّتها بوصفها عوامل مختزلة:

• أ. X>L>N>M

• ب. M>X>N>L

• جـ. M>N>L>X

• د. L>N>X>M

قيمة جهد الخليّة المعياري ⁦M⁩–⁦N⁩ بالفولت يساوي:

• أ. 0.63

• ب. 0.93

• جـ. 0.04

• د. 0.59

الفلزُّ الذي يمكن حفظُ محلول أحد أملاحه في وعاء مصنوع من أيٍّ من الفلزّات الثلاثة المتبقّية، هو:

• أ. X

• ب. L

• جـ. N

• د. M

اختر الإجابة الصحيحة: التحليل الكهربائي والبطّاريات

أدرسُ الجدول المجاور، حيث يتضمّن بعض أنصاف تفاعلات الاختزال المعياريّة وجهودها، وأستخدمُه للإجابة عن السؤالين 15 و 16.

عند التحليل الكهربائي لمحلول بروميد الخارصين، فإنَّ الناتج عند المِهبط هو:

• أ. Zn

• ب. H₂

• جـ. Br₂

• د. ⁦OH⁻⁩

عند التحليل الكهربائي لمحلول يحتوي على الأيونات ⁦Ag⁺⁩ ، ⁦Zn²⁺⁩ ، ⁦Cu²⁺⁩؛ فإنَّ ذرّاتِها تبدأُ بالترسُّب عند المِهبط حسب الترتيب الآتي:

• أ. Zn, Ag, Cu

• ب. Cu, Ag, Zn

• جـ. Ag, Cu, Zn

• د. Ag, Zn, Cu

عندما يعادُ شحنُ بطّاريّة قابلة لإعادة الشحن تعمل الخليّةُ بوصفها خليّة:

• أ. حمضيّة.

• ب. قلويّة.

• جـ. جلفانيّة.

• د. تحليل كهربائي.

العبارات الآتية جميعها صحيحة بالنسبة إلى الخليّة الجلفانيّة ⁦Ba⁩|⁦Ba²⁺⁩||⁦Ni²⁺⁩|⁦Ni⁩ عدا:

• أ. ⁦Ni²⁺⁩ أقوى عامل مؤكسد.

• ب. ⁦Ba⁩ أقوى عامل مختزل.

• جـ. تزدادُ كتلة القطب ⁦Ni⁩.

• د. ⁦Ba⁩|⁦Ba²⁺⁩ تمثّل نصف خليّة الاختزال.

العبارات الآتية التي تصف ما يحدث في بطّاريّة أيون الليثيوم خلال عمليّة شحن البطّاريّة، جميعها صحيحة عدا:

• أ. تتأكسد أيونات الكوبلت ⁦Co³⁺⁩ إلى ⁦Co⁴⁺⁩.

• ب. يمثّل أكسيد الكوبلت ⁦CoO₂⁩ قطب المهبط في أثناء الشحن.

• جـ. تختزل أيونات الليثيوم ⁦Li⁺⁩.

• د. تتحرَّك أيونات الليثيوم ⁦Li⁺⁩ باتجاه نصف خليّة الجرافيت.