شارح الدرس: التحليل الكهربي للأملاح المنصهرة الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف مكوِّنات خلية إلكتروليتية، ونتوقَّع نواتج التحليل الكهربي للأملاح المنصهرة.

بعض المواد الكيميائية مستقرة للغاية؛ بحيث يصبح من الصعب إيجاد مواد كيميائية تُفكِّكها. ومع ذلك، يمكننا استخدام المجالات والتيارات الكهربية التي تعتبر أقوى بكثير من المواد الكيميائية بمفردها.

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

إذا أجرينا تحليلًا كهربيًّا، فسينطبق ذلك بوجه عام؛ لأننا نُجري تفاعلًا ماصًّا للحرارة وغير تلقائي؛ أي إن النواتج ستكون أقل استقرارًا من المتفاعلات. يأتي هذا الفرق في الطاقة من بطارية أو أي مصدر طاقة يحفِّز تفاعل الأكسدة والاختزال.

في هذا الشارح، سنركِّز فقط على التحليل الكهربي للأملاح المنصهرة، مثل .

لإجراء تفاعل إلكتروليتي، لا بد أن تكون لدينا دائرة كهربية مكتملة؛ وأن يكون باستطاعتنا الحصول على الطاقة بشكل مستمر من البطارية أو من مصدر الطاقة. ولنفعل ذلك، لا بد أن تتمكَّن الأيونات من الحركة.

في الخلايا الإلكتروليتية، نستخدم مصدر طاقة يُنتِج تيارًا مستمرًّا، وهو ما يعني أن أحد القطبين يكون دائمًا موجبًا أو سالبًا. إذا كان مصدر الطاقة يُنتِج تيارًا متردِّدًا، فسيتغيَّر القطبان بين الحالة الموجبة أو السالبة عدة مرات في الثانية الواحدة (وهذا لا يساعدنا كثيرًا إذا أردنا تجميع نواتج التفكُّك من المصعد أو المهبط فقط).

بدلًا من الاستعانة بمصدر طاقة للتيار المستمر، يمكننا استخدام خلية أو بطارية.

داخل الخلية الإلكتروليتية، نحتاج إلى مصدر متجدِّد للأيونات عند كل قطب حتى يتسنَّى تكوين النواتج. وهذا لن يحدث إذا لم تتمكَّن الأيونات من الحركة.

الطريقة البديهية لإتاحة حركة الأيونات هي وضعها في سائل.

يُشار إلى المادة أو الخليط الذي يوصِّل الكهرباء، ويمكن أن يخضع للتحليل الكهربي، باسم الإلكتروليت.

عمليًّا، يمكن أن يكون انصهار أي ملح أصعب بكثير ممَّا يبدو عليه الأمر. الأملاح مركبات أيونية، وعادةً ما تكون لها درجات انصهار مرتفعة جدًّا نتيجةً للروابط الأيونية القوية بين كاتيوناتها وأنيوناتها.

فيما يلي درجات انصهار بعض الأملاح الشائعة.

عند تحلُّل ملح منصهر بسيط يتكوَّن من عنصرين فقط كهربيًّا، فإننا نتوقَّع أن تكون النواتج هي الصور العنصرية للأنيون والكاتيون:

وقد تستمر تلك النواتج في التفاعل مع مواد أخرى حولها، لكننا سنتناول ذلك لاحقًا.

يمكن أن تُمثَّل هذه العملية بمعادلتين نصفيتين. تمثِّل الأولى اختزال أيونات الليثيوم:

وتمثِّل الثانية أكسدة أيونات الكلوريد:

التفاعل الكلي الذي يحدث في الخلية الإلكتروليتية يساوي مجموع هاتين المعادلتين النصفيتين:

في الملح المنصهر، تنجذب الأنيونات (الأيونات السالبة) نحو القطب الموجب، الذي نُسمِّيه المصعد. وتنجذب الكاتيونات (الأيونات الموجبة) إلى القطب السالب، الذي نُسمِّيه المهبط.

يوضِّح هذا الشكل حركة الكاتيونات نحو المهبط والأنيونات نحو المصعد.

بمجرد وصول الكاتيونات إلى المهبط، يُمكن اختزالها؛ أي تكتسب إلكترونات.

وبمجرد وصول الأنيونات إلى المصعد، يُمكن أكسدتها؛ أي تفقد إلكترونات.

يوضِّح هذا الشكل إضافة الإلكترونات إلى الكاتيونات عند المهبط (الاختزال) وإزالة الإلكترونات من الأنيونات عند المصعد (الأكسدة).

قد يتضمَّن التفاعل عند المهبط أكثر من إلكترون واحد. الكاتيونات الأكثر شيوعًا التي يتضمَّنها التحليل الكهربي كاتيونات فلزية؛ ومن ثَمَّ يكون الناتج عنصرًا فلزيًّا:

هذا هو التفاعل النصفي عند المهبط (الاختزال):

وهذا هو التفاعل النصفي عند المصعد (الأكسدة):

يمكن أن تتحد الذرات الناتجة عند المصعد والمهبط لتنتج بعد ذلك كُتلًا أو تجميعات من الفلز، أو جزيئات.

ينشأ عن الاستهلاك التلقائي للإلكترونات عند المهبط، وإنتاج الإلكترونات عند المصعد، «دائرة كهربية» مستمرة.

يوضِّح هذا الشكل دائرة كهربية كاملة لخلية إلكتروليتية.

يُشير «المصعد» و«المهبط» إلى كلٍّ من القطب الذي تتدفَّق منه الإلكترونات (المصعد)، والقطب الذي تنتقل إليه (المهبط).

مثال ٣: تحديد المصعد أو المهبط بناءً على إعداد تجربة تتضمَّن أيونات متحرِّكة

في الشكل الموضَّح، ما القطب الذي يقع على الجانب الأيمن؟

1. المصعد؛ حيث يجذب أنيونًا
2. المهبط؛ حيث يجذب أنيونًا
3. المهبط؛ حيث يجذب كاتيونًا
4. المصعد؛ حيث يجذب كاتيونًا

الحل

في الخلية الإلكتروليتية، يتسبَّب أي مصدر طاقة خارجي للتيار المستمر (مثل مصدر تيار مستمر أو بطارية أو خلية) في تفكُّك الإلكتروليت. يُرسَم الطرف الموجب للخلية الكهربية على صورة خط طويل، ويُرسَم الطرف السالب على صورة خط قصير.

في الشكل المُعطى في السؤال، يقع الطرف السالب لمصدر الطاقة على اليمين، والطرف الموجب على اليسار.

في خلية إلكتروليتية مثل هذه، نتوقَّع أن تتحرَّك الكاتيونات في الإلكتروليت نحو القطب السالب، وأن تتحرَّك الأنيونات نحو القطب الموجب. ونرى هذا على النحو الآتي: يتحرَّك الكاتيون في الإلكتروليت إلى اليمين نحو القطب السالب، ويتحرَّك الأنيون إلى اليسار نحو القطب الموجب.

عند القطب الذي على اليمين، نتوقَّع أن تكتسب الكاتيونات إلكترونات (أي تُختزَل). وتتدفَّق هذه الإلكترونات من مصدر الطاقة. هذا يعني أن القطب الأيمن هو المهبط، ونعرف ذلك بالنظر إلى الخلية الإلكتروليتية، وأن الكاتيون في الشكل يتحرَّك نحوه. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار ج.

عند تصميم خلية إلكتروليتية، تُوجَد العديد من العوامل التي يجب مراعاتها؛ مثل مدى سرعة تكوُّن النواتج، ودرجة الحرارة المطلوبة، والتفاعلات الجانبية التي قد تحدث.

هذه النقطة الثالثة ذات أهمية خاصة عندما يتعلَّق الأمر باختيار المواد التي تُصنَع منها الأقطاب.

سيكون من الجيد ألَّا يتحلَّل القطبان، ودرجتا انصهارهما أعلى بكثير من الأملاح المنصهرة. وبالطبع، لا بد أن يكونا موصِّلين.

الفلزات غير التفاعلية مثل البلاتين جيدة لهذا الغرض؛ فالبلاتين غير تفاعلي ودرجة انصهاره . لكن البلاتين باهظ التكلفة.

من ناحية أخرى، الكربون أكثر تفاعلية، ورخيص جدًّا.

في التحليل الكهربي للألومنيوم، يُستخدَم قطبان كبيران من الكربون؛ لأنهما يوفِّران مساحة سطح كبيرة ويمكن استبدالهما بطريقة رخيصة التكلفة. يتفاعل القطبان مع الأكسجين، ويتحوَّلان إلى ثاني أكسيد الكربون، لكن على المدى الطويل، لا تزال قيمتاهما أرخص كثيرًا من قطبَي البلاتين.

تتسبَّب الأقطاب المصنوعة من فلزات تفاعلية في حدوث مشكلات. على سبيل المثال، يتفاعل المهبط المصنوع من الحديد مع أملاح النحاس، وينتج أملاح الحديد وفلز النحاس، حتى بدون وجود مصدر طاقة لتحفيز التفاعل.

عندما يتعلَّق الأمر بتفاعلية مادة القطب أو خمولها، فإننا نفكِّر غالبًا في المتفاعلات التي سنستخدمها معها. وإذا لم تتفاعل المادة مع هذه المتفاعلات تحديدًا، نقول إن القطب المصنوع من هذه المادة خامل.