شارح الدرس: التحليل الكهربي لمحاليل الأملاح الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نتوقَّع نواتج التحليل الكهربي للمحاليل المائية للأملاح باستخدام سلسلة النشاط الكيميائي.

بعض المواد الكيميائية تكون مستقرَّة للغاية لدرجة أنه يَصعُب جدًّا إيجاد مواد كيميائية تُفكِّكها. ولكنْ يُمكننا استخدام المجالات الكهربية والتيارات الكهربية التي تُعَدُّ أقوى بكثير من المواد الكيميائية بمفردها.

مصطلح «التحليل الكهربي» يتكوَّن من كلمة «كهربي» (التي تُشير إلى الإلكترونات أو الكهرباء) وكلمة «تحليل» (التي تعني الفصل أو التفكيك). يُمكننا استخدام الكهرباء لتفكيك المواد وتحويلها إلى عناصرها النقية أو مواد كيميائية أخرى.

إذا كنَّا نُجري تحليلًا كهربيًّا، فسيكون ذلك بوجْهٍ عامٍّ لأننا نُجري تفاعُلًا ماصًّا للحرارة، وستكون النواتج أقلَّ استقرارًا من المتفاعِلات. ويتوفَّر هذا الفرق في الطاقة بواسطة بطارية أو مصدر طاقة كهربية لإحداث التفاعُل.

في هذا الشارح، سنركِّز فقط على التحليل الكهربي لمحاليل الأملاح، مثل .

لاستمرار تفاعُل إلكتروليتي، نحتاج إلى دائرة كاملة؛ ونحتاج إلى الحصول على طاقة بشكلٍ مستمرٍّ من بطارية أو من مصدر طاقة كهربية. ولفعل ذلك، ينبغي أن تكون الأيونات قادرة على الحركة.

في الخلايا الإلكتروليتية، نَستخدِم مصدرًا للتيار المستمرِّ، وهو ما يعني أن الأقطاب ستكون دائمًا إمَّا موجبة وإمَّا سالبة. وفي حالة التيار المتردِّد، ستتغيَّر الأقطاب من موجبة إلى سالبة والعكس عدَّة مرَّات في الثانية الواحدة (وليس هذا مفيدًا للغاية إذا أردنا تجميع نواتج التفكُّك من المصعد أو المهبط فقط).

يُمكننا استخدام خلية أو بطارية بدلًا من مصدر تيار مستمرٍّ.

داخل الخلية الإلكتروليتية، نريد مصدرًا متجدِّدًا للأيونات عند كلِّ قطب؛ حتى يُمكننا إنتاج النواتج. وهذا لن يَحدُث إذا لم تتمكَّن الأيونات من الحركة.

وإحدى الطُّرق التي يُمكننا بها جعل الأيونات متحرِّكة هي إذابتها في الماء.

تُسمَّى المادة أو الخليط الذي يُوصِّل الكهرباء ويُمكن أن يخضع للتحليل الكهربي إلكتروليتًا.

عمليًّا، تكون بعض الأملاح قابلةً للذوبان أكثر من غيرها. الأملاح مركَّبات أيونية، بها روابط أيونية قوية بين كاتيوناتها وأنيوناتها. تُوصِّل المركَّبات الأيونية الكهرباء عندما تكون في صورة مصهور أو محلول مائي؛ لأن الأيونات المتحرِّكة تكون قادرة على حمل التيار الكهربي. أحيانًا تكون الكاتيونات والأنيونات المرتبط بعضها ببعض أكثر استقرارًا ممَّا لو أُذيبت، ويُمكننا وصْف الأملاح من هذا النوع بأنها غير قابلة للذوبان. ومع ذلك، معظم الأملاح البسيطة التي سنتناولها هنا ستكون قابلة للذوبان إلى حدٍّ ما.

عادة ما نعبِّر عن ذوبانية الأملاح بوحدة جرام (أو ملليجرام) لكلِّ 100 mL من المُذيب؛ وهذا يعني أننا إذا بدأنا بـ 100 mL من المُذيب، يُمكننا إذابة أقصى كتلة من هذا الملح فيه. وعند هذه النقطة، سيُعتبَر المحلول مُشبَّعًا.

وفيما يأتي مجموعة من الأملاح وذوبانياتها.

عند التحليل الكهربي لمحلول ملح، قد يتأكسَد الأنيون، ويُختزَل الكاتيون. لكن وجود الماء يَجعل الأمور أكثر تعقيدًا بعض الشيء. ويُمكن أيضًا أن تُحدِث المواد التي صُنِعت منها الأقطاب فرقًا كبيرًا.

عندما نحلِّل كهربيًّا مصهور ملح بسيط، مثل كلوريد الصوديوم، فمن السهل جدًّا توقُّع النواتج:

ستكون النواتج الصُّوَر العنصرية للكاتيون والأنيون (فلز الصوديوم وغاز الكلور في هذه الحالة).

لكنْ عند التحليل الكهربي لمحلول، يُمكن أن يتحلَّل الماء نفسه كهربيًّا:

لذا عند تحليل محلول كلوريد الصوديوم كهربيًّا، هناك أربعة نواتج محتملة:

لكننا نعلم أن الصوديوم نَشِط للغاية. وإذا تكوَّن الصوديوم بطريقة ما، فإنه سيتفاعَل مع الماء على الفور، ويُنتِج هيدروكسيد الصوديوم:

وهذا يؤدِّي إلى استبعاد الصوديوم من قائمة النواتج، ويُشير إلى أن الهيدروجين سيَنتُج بدلًا منه:

يُمكن أن تتفكَّك جزيئات الماء إلى أيونات الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد:

ومن ثَمَّ، يُمكننا كتابة معادلة إنتاج غاز الهيدروجين في صورة اختزال لأيونات الهيدروجين الذي يَحدُث عند المهبط:

بالنسبة إلى الكلور والأكسجين، تَنتقل أيونات الهيدروكسيد إلى القطب الموجب (المصعد) حيث تَحدُث الأكسدة. عند المصعد، يَحدُث تنافُس بين أيونات الهيدروكسيد وأيونات الكلوريد على التأكسُد.

بوجْهٍ عامٍّ، بالنسبة إلى المحاليل التي لها تركيز مناسب من أيونات الكلوريد، يكون الناتج الرئيسي هو غاز الكلور. والتفاصيل الكاملة لهذا خارج نطاق هذا الشارح. ومع ذلك، فالعملية الإجمالية كما يأتي:

وإذا تأكسَدَت أيونات الهيدروكسيد، بدلًا من ذلك، فستكون معادلة العملية كما يأتي:

والقاعدة العامَّة التي نَستخدِمها هي أنه في التحليل الكهربي لهاليدات الأملاح، يَنتُج الهالوجين. وفي التحليل الكهربي للأملاح الأخرى، يَنتُج الأكسجين.

وأسباب ذلك خارج نطاق هذا الشارح.

في حالة التحليل الكهربي لمحلول كلوريد الصوديوم، تكون النواتج المتوقَّعة هي الكلور عند المصعد، والهيدروجين عند المهبط:

إذن في حالة التحليل الكهربي لمحلول كلوريد الصوديوم، نتوقَّع أن يتبع التفاعُل هذه المعادلة:

يوضِّح الشكل الآتي الخلية بأكملها:

يُمكننا تطبيق ما تعلَّمناه على أيِّ محلول ملح بسيط.

القاعدة العامة: إذا كان هناك أكثر من نوع واحد من الأيونات يُمكن أن يتأكسَد، سيتأكسَد الأيون الأكثر نشاطًا، وتظلُّ الأيونات المتبقِّية في الإلكتروليت.

الشيء الآخَر الوحيد الذي نحتاجه هو سلسلة النشاط الكيميائي، التي تُخبرنا بوجْهٍ عامٍّ بمدى نشاط عنصر نقي ما مقارنة بالعناصر الأخرى، وفيما يأتي نسخة مُبسَّطة من سلسلة النشاط الكيميائي.

إذا كان العنصر فوق الهيدروجين في السلسلة، يَنتُج غاز الهيدروجين عند المهبط. وإذا كان العنصر تحت الهيدروجين في السلسلة، تَنتُج الصورة النقية لهذا العنصر بدلًا من ذلك.

لنلقِ نظرةً على بعض الأمثلة.

إذا أضفنا حمض الكبريتيك إلى الماء، فلن نَحصُل على الكبريت ()، ولا كبريتيد الهيدروجين ()، ولا أكاسيد الكبريت ( و). وإنما نَحصُل على نفس نواتج التحليل الكهربي للماء النقي ( و). في الواقع، يَجعل حمض الكبريتيك الماء موصِّلًا، وهو ما يُساعِد على التحليل الكهربي للماء.

يكون للتفاعُلات الجانبية التي يُمكن أن تَحدُث أهمِّية خاصَّة عندما يتعلَّق الأمر باختيار المواد التي تُصنَع منها الأقطاب.

من المُفيد ألَّا تتفاعَل الأقطاب مع الماء أو الملح الذائب. على سبيل المثال، ليس من المُفيد أن تَصدأ الأقطاب؛ ومن ثَمَّ سيكون الحديد اختيارًا سيِّئًا.

تُعَدُّ الفلزات غير التفاعُلية، مثل البلاتين، اختيارًا جيدًا لهذا الغرض؛ فالبلاتين غير نَشِط، لكنه مُكلِّف للغاية.

وعلى الجانب الآخَر، الكربون أكثر نشاطًا، لكنَّه رخيص للغاية. الكربون في سلسلة النشاط الكيميائي أنشط حتى من الهيدروجين؛ لذا من الناحية النظرية، سيتفاعَل الكربون مع الماء لإنتاج ثاني أكسيد الكربون، ومع الأملاح لإنتاج مركَّبات الكربون. من الناحية العملية، لا داعيَ للقلق بشأن ذلك؛ لأن طاقات تنشيط هذه التفاعُلات عالية للغاية؛ حيث ستكون هناك حاجة لدرجات حرارة أعلى بكثير. عند إجراء التحليل الكهربي لمحلول ملح، لن تتجاوز درجات الحرارة درجة غليان المحلول، (التي ستكون قريبة من ).

ستتسبَّب الأقطاب المصنوعة من فلزات أكثر نشاطًا في حدوث مشاكل. على سبيل المثال، سيتفاعَل المهبط المصنوع من الزنك مع أملاح النحاس، ويُنتِج أملاح الزنك وفلز النحاس، حتى دون وجود مصدر طاقة لبدء التفاعُل.

عند الحديث عن تفاعُلية مادة القطب أو خمولها، فإننا نراعي عادة المتفاعِلات التي سنَستخدِمها معه. إذا لم تتفاعَل مادة القطب مع هذه المتفاعِلات، فسنَعتبِر أن القطب المصنوع من هذه المادة خامل. وفيما يَخصُّ تفاعُلات التحليل الكهربي لمحاليل الأملاح، يُمكننا اعتبار أن الأقطاب المصنوعة من الكربون خاملة.