شارح الدرس: استخدامات الخلايا الإلكتروليتية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلم كيف نَصِف ظروف واستخدامات التحليل الكهربي للأملاح المنصهرة والمحاليل الملحية.

على وجه التحديد، سوف نتناول دور الخلايا الإلكتروليتية في تنقية النحاس والطلاء بالكهرباء.

الخلية الإلكتروليتية هي نوع من أنواع الخلية الكهروكيميائية التي تستخدم مصدر طاقة خارجيًّا لدفع التفاعل الكيميائي. يمكننا استخدام التيار الكهربي في تحليل المواد وتحويلها إلى مواد عنصرية نقية أو مواد كيميائية أخرى.

لكي نحافظ على التفاعل الإلكتروليتي، يجب أن تكون لدينا دائرة كهربية كاملة؛ بمعنى آخر، يجب أن نكون قادرين على الحصول على الطاقة بشكل مستمر من البطارية أو من مصدر الطاقة. ولفعل ذلك، يجب أن تكون الأيونات لدينا قادرة على الحركة.

في الخلايا الإلكتروليتية، يُستخدم مصدر طاقة تيار مستمر، وهو ما يعني أن الأقطاب إما تكون موجبة أو سالبة دائمًا.

تُسمى المادة أو الخليط الذي يوصل التيار الكهربي والذي يمكن أن يخضع للتحليل الكهربي، بالإلكتروليت.

إذن، يجب أن يكون الإلكتروليت إما محلولًا ملحيًّا أو ملحًا منصهرًا.

يشير المصطلحان المصعد والمهبط إلى القطب الذي يتدفق تيار الإلكترونات منه والقطب الذي يتدفق تيار الإلكترونات إليه، على الترتيب.

تتحرك الأنيونات في الإلكتروليت باتجاه المصعد وتتأكسد. وتتحرك الكاتيونات في الإلكتروليت باتجاه المهبط وتُختزل.

يوضِّح الشكل التالي حركة الكاتيونات باتجاه المهبط وحركة الأنيونات باتجاه المصعد.

بمجرد وصول الكاتيونات إلى المهبط، من الممكن أن تُختزل عن طريق اكتساب الإلكترونات.

وبمجرد وصول الأنيونات إلى المصعد، من الممكن أن تتأكسد عن طريق فقد الإلكترونات.

يعد إنتاج النحاس النقي أحد أهم استخدامات التحليل الكهربي. يُستخدم النحاس في صناعة الدوائر الكهربية والأسلاك والأنابيب ووحدات التبريد؛ نظرًا لأن له توصيلية كهربية وحرارية عالية. هذا بالإضافة إلى أنه قابل للطرق والسحب.

هناك العديد من طرق استخلاص النحاس من خاماته، ولكننا سنركز على مرحلة التنقية النهائية. تبدأ مرحلة التنقية هذه بعد استخراج خام النحاس من الأرض وتحويله إلى ألواح نحاس غير نقية ومحلول كبريتات النحاس الثنائي:

ألواح النحاس غير النقي الناتج عن هذه العملية ليست نقية بما يكفي لاستخدامها في الإلكترونيات والأجهزة المهمة الأخرى. ويمكن الحصول على ألواح نحاس لها درجة نقاء أكبر عن طريق التحليل الكهربي.

توضع ألواح النحاس غير النقي في وعاء يحتوي على محلول كبريتات النحاس الثنائي وموصل بالطرف الموجب لمصدر طاقة خارجي. ويُوصل الطرف السالب لمصدر الطاقة بلوح نحاس نقي موجود في نفس الوعاء الذي يحتوي على كبريتات النحاس. نحن لن نتناول الطريقة التي صنع بها لوح النحاس النقي هذا.

الفكرة الرئيسية هي أن مصدر الطاقة يدفع تفاعلين كيميائيين، أحدهما عند المصعد والآخر عند المهبط. ونتيجة لهذين التفاعلين معًا تنتقل ذرات النحاس من المصعد إلى المهبط وتطليه. بعد ذلك، تترسب الشوائب في قاع الوعاء.

وتكون هذه هي النتيجة النهائية:

• تقل كتلة مصعد النحاس غير النقي نتيجة لذوبان النحاس في الإلكتروليت وترسب الشوائب في القاع.
• تزداد كتلة مهبط النحاس النقي نتيجة لطلائه بطبقة من النحاس الناتج من الإلكتروليت.
• تظل الشوائب القابلة للذوبان في الإلكتروليت.
• تظل الشوائب غير القابلة للذوبان عالقة عند المصعد أو تترسب إلى قاع الوعاء.

يمكننا أن نتناول ذلك بمزيد من التفصيل. في هذه العملية، يكون المصعد نشطًا وليس خاملًا. ويتعرض النحاس الصلب في مصعد النحاس غير النقي إلى التأكسد كما هو موضح فيما يلي:

تتأكسد بعض الشوائب أيضًا (مثل الزنك والحديد) وتنتقل إلى الإلكتروليت:

أما الشوائب الأقل نشاطًا، مثل الفضة والذهب، فهي لن تتأكسد على الإطلاق، لكنها ستترسب إلى قاع الخلية.

عند المهبط، يحدث العكس:

تُختزل أيونات النحاس في الإلكتروليت إلى فلز نحاس يطلي المهبط.

وعلى الرغم من أن هذه العملية لا تنتج نحاسًا نقيًّا بنسبة ، فإنها تنتج نحاسًا له درجة نقاء أكبر مقارنة بهذا الذي بدأنا به.

ملاحظة: عملية الطلاء بالكهرباء هذه لا تقتصر على النحاس فقط.

مثال ١: تحديد نواتج التحليل الكهربي لكبريتات النحاس الثنائي باستخدام أقطاب الجرافيت أو النحاس

يُجرِي طالبٌ تجربتين للتحليل الكهربي باستخدام كبريتات النحاس الثنائي باعتباره إلكتروليتًا. يستخدم الطالبُ أقطابَ الجرافيت في التجربة الأولى، وأقطابَ النحاس في التجربة الثانية. أيُّ سطر في الجدول يُحدِّد تحديدًا صحيحًا ما يحدث في الأقطاب الكهربية في التجربتين؟

	التجربة 1: أقطاب الجرافيت		التجربة 2: أقطاب النحاس
	مصعد	مهبط	مصعد	مهبط
السطر 1	ينتج الأكسجين.	يتكوَّن الهيدروجين.	يذوب المصعد.	يتكوَّن النحاس.
السطر 2	يذوب المصعد.	يتكوَّن النحاس.	ينتج الأكسجين.	يتكوَّن النحاس.
السطر 3	ينتج الأكسجين.	يتكوَّن النحاس.	يذوب المصعد.	يتكوَّن النحاس.
السطر 4	يذوب المصعد.	يتكوَّن النحاس.	يذوب المصعد.	يتكوَّن النحاس.
السطر 5	يتكوَّن النحاس.	ينتج الأكسجين.	يتكوَّن النحاس.	يذوب المصعد.

الحل

هذه هي الاحتمالات المعطاة لنا.

في التجربة 1، لدينا أقطاب خاملة؛ بمعنى أن الجرافيت لن يتفاعل مع محلول كبريتات النحاس في هذه الظروف. إذن، نتوقع أن محلول كبريتات النحاس سيخضع للتحليل الكهربي؛ نظرًا لأن النحاس أقل نشاطًا من الهيدروجين، وعليه، تختزل أيونات النحاس الموجودة في المحلول عند المهبط الجرافيت، إلى فلز نحاس.

عند المصعد، وبما أن أنيون الكبريتات ليس هاليدًا، فمن المتوقع أن ينتج الأكسجين عن طريق تأكسد أيونات الهيدروكسيد من الماء.

في التجربة 2، لدينا مصعد نشط. سيجذب مصدر الطاقة الخارجي الإلكترونات ويجعلها تتحرك بعيدًا عن المصعد، وعليه يتحوَّل فلز النحاس إلى أيونات نحاس تبقى في المحلول.

عند المهبط، ستُختزل أيونات النحاس الموجودة في المحلول لتكوِّن فلزًّا من النحاس الصلب. وسنجد أن النتيجة النهائية هي ذوبان مصعد النحاس في المحلول، وسيغطى مهبط النحاس بالمزيد من النحاس الصلب.

إذن، في التجربة 1، نتوقع أن يتكوَّن الأكسجين عند المصعد، وأن يتكوَّن النحاس عند المهبط. في التجربة 2، نتوقع أن يذوب المصعد في المحلول، وأن يُغطى المهبط بطبقة من النحاس.

ومن ثَمَّ، فإن الإجابة هي السطر 3.

هناك عدد من المواد المفيدة للغاية التي يمكن الحصول عليها عن طريق الطلاء، على سبيل المثال طلاء أي قطعة (مثل غطاء إطار السيارة) بفلزٍّ ما. ويمكن تنفيذ عملية الطلاء هذه عن طريق غمر هذه القطعة في الفلز المنصهر، أو عن طريق الرش (أي قصف الفلز المستهدف بأيونات من البلازما حتى تسقط أجزاء منه على القطعة) أو عن طريق تبخير الفلز وتكثيفه على القطعة. وعلى الرغم من أن كل هذه الطرق مفيدة، فإن الطلاء بالكهرباء هو أكثر هذه الطرق استخدامًا.

الطلاء بالكهرباء هو عملية بسيطة:

1. نغمر القطعة المطلوب طلاؤها بالكهرباء في الإلكتروليت الذي يحتوي على أيونات الفلز الذي نريد طلاءه بالكهرباء عند المهبط. على سبيل المثال، إذا كنا نريد طلاء أي قطعة بالنحاس، يمكننا استخدام محلول كبريتات النحاس الثنائي باعتباره الإلكتروليت.
2. نُوصل القطعة بالطرف السالب لمصدر الطاقة. أثناء التحليل الكهربي، ستكون القطعة التي سنطليها بالكهرباء هي المهبط. ويجب أن يكون السطح الذي نريد طلاءه بالكهرباء مُوصِّلًا للكهرباء.
3. نحضر قطعة الفلز الذي نريد استخدامه للطلاء بالكهرباء، مثل النحاس. يجب أن نغمر هذه القطعة جيدًا بحيث يغطي الإلكتروليت أكبر قدر من مساحتها.
4. نوصل قطعة الفلز هذه بالطرف الموجب لمصدر الطاقة حيث ستعمل بمثابة المصعد أثناء التحليل الكهربي.
5. نُشغِّل مصدر الطاقة.

إذا كان الفلز متناسبًا مع القطعة، فستُطلى القطعة بالفلز المصنوع منه المصعد. وكلما زاد زمن عملية الطلاء بالكهرباء، زاد سُمك طبقة الطلاء.

هناك أمر آخر مهم يتعلق بالطلاء بالكهرباء يجب أخذه في عين الاعتبار وهو: أن الفلز الذي نطلي به القطعة سيكون بوجه عام أكثر نشاطًا من الفلزات المصنوعة منها هذه القطعة. فإذا حاولنا طلاء النحاس بالفضة عن طريق غمر النحاس في محلول نيترات الفضة، فسيحدث التفاعل تلقائيًّا (سيتفاعل النحاس مع أيونات الفضة في المحلول دون الحاجة لوجود أي مصدر طاقة). مع ذلك، ستتكون طبقة من طلاء الفضة على النحاس المتبقي؛ إلا أنه سيكون من الصعب للغاية التحكم في جودة هذا الطلاء وسُمكه.

اذا كان التفاعل بين الفلز والمحلول بطيئًا بما يكفي، فسيظل بإمكاننا إجراء عملية الطلاء بالكهرباء. وهذا يحدث عادةً عندما تكون الفلزات لها تفاعلية متشابهة.

يوضح الشكل التالي أساسيات الإعداد لعملية الطلاء بالكهرباء.

على سبيل المثال، إذا أردنا طلاء جرس مصنوع من النحاس بالزنك، يمكننا استخدام الطلاء بالكهرباء. النحاس أقل نشاطًا من الزنك؛ لذا سيكون مناسبًا.

إذا كان مصدر الطاقة مُعدًّا بشكل صحيح، فسيحدث أمران عند تشغيله.

عند المصعد، سيتأكسد فلز الزنك لتكوين أيونات الزنك، التي ستنتقل إلى المحلول. وبينما تستمر عملية الطلاء بالكهرباء، ستقل كتلة الزنك تدريجيًّا:

عند المهبط، سيُطلى الجرس المصنوع من النحاس بالزنك؛ وذلك لأن أيونات الزنك الموجودة في المحلول تُختزل لتكوين فلز الزنك:

مثال ٢: تحديد الإعداد المناسب لطلاء الحديد كهربيًّا باستخدام النحاس

ما الشكل الذي يوضِّح الإعداد المناسب لطلاء تاج من الحديد كهربيًّا باستخدام النحاس؟

الحل

في الإعدادات الأربعة، يمكننا أن نلاحظ أن هناك محلولين باللون الأزرق ومحلولين باللون الأخضر. يحتوي المحلولان باللون الأزرق على كبريتات النحاس الثنائي، ويحتوي المحلولان باللون الأخضر على كبريتات الحديد الثنائي.

إذا أردنا طلاء التاج كهربيًّا باستخدام أي فلز، فإن أيونات هذا الفلز يجب أن تكون موجودة في المحلول. على سبيل المثال، إذا أردنا طلاء التاج المصنوع من الحديد كهربيًّا باستخدام النحاس، فإننا نحتاج محلولًا من أيونات النحاس. إذن، يمكننا استبعاد أي إعداد يكون الإلكتروليت المستخدم فيه هو كبريتات الحديد الثنائي.

في أحد الإعدادين حيث محلول كبريتات النحاس الثنائي هو الإلكتروليت المستخدم، نلاحظ أن التاج المصنوع من الحديد مُوصَّل بالطرف السالب لمصدر الطاقة (أي أنه سيكون المهبط). وفي الحالة الأخرى، يكون التاج المصنوع من الحديد هو المصعد.

أثناء الطلاء بالكهرباء، تكتسب أيونات الفلز موجبة الشحنة الموجودة في المحلول إلكترونات عند المهبط، وتتحول إلى ذرات فلز صُلبة. ومن ثَمَّ، إذا كنا نريد طلاء التاج كهربيًّا، يجب أن يكون هو المهبط.

الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج) حيث الإعداد الذي يحتوي على مصعد نحاس (يوفر أيونات نحاس جديدة للإلكتروليت)، والإلكتروليت المستخدم هو محلول كبريتات النحاس الثنائي، والتاج المصنوع من الحديد هو المهبط.

يمكننا الآن أن نسأل أنفسنا السؤال الآتي: لماذا قد نريد طلاء فلز على فلز آخر؟

إن طلاء السطح بفلز محدد أو خليط من الفلزات قد يساعد على تعزيز مقاومته للتآكل وتحسين شكله وقيمته الاقتصادية ووظيفته الميكانيكية ويمكن أن يغير من خواصه الكيميائية والفيزيائية. دعونا نتناول الأمثلة الآتية:

• الفضة المطلية بالذهب لها شكل الذهب الصلب نفسه، لكنها تُباع بتكلفة أقل. يمكن أيضًا طلاء المجوهرات باستخدام البلاتين والفلزات النبيلة الأخرى.
• الحديد المطلي بالزنك لا يصدأ، وعلى عكس الصدأ، فإن طبقة أكسيد الزنك الموجودة على سطحه لا تتقشر. ولكنها تشكل طبقة عازلة طويلة الأمد لمنع التآكل.
• يمكن طلاء قطع الفلزات بطبقة سميكة من الألومنيوم، والتي يمكن صبغها بألوان زاهية. ويُقال إن القطع التي عولجت بهذه الطريقة تكون مطلية بالألومنيوم المُؤَنْوَد.
• يمكن طلاء نقط التلامس الكهربي بالذهب لتحسين توصيليتها الكهربية ومقاومتها للتآكل.