نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف مكونات الخلايا الإلكتروليتية، ونتوقع نواتج التحليل الكهربي للأملاح المنصهرة.
يتناول هذا الفيديو التحليل الكهربي للأملاح المنصهرة. تشير كلمة «الكهربي» إلى استخدام الكهرباء، و«التحليل» هنا يعني الفصل. ما الذي نفصله؟ حسنًا، كلمة «منصهر» تعني أن شيئًا ما قد سخن حتى وصل إلى حالته السائلة. و«الملح» كلمة تعبر عن مركب أيوني مكون من أيونات موجبة وسالبة. أثناء التحليل الكهربي، نستخدم الكهرباء لفصل هذين النوعين من الأيونات.
لنلق نظرة، مثلًا، على التحليل الكهربي لبروميد الرصاص الثنائي. في الحالة الصلبة لبروميد الرصاص، تكون الأيونات الموجودة فيه مترابطة بعضها ببعض ولا يمكنها الطفو بحرية. لكن إذا سخناه حتى يتحول من حالته الصلبة إلى الحالة المنصهرة أو السائلة، فلن تبقى الأيونات مترابطة بعضها ببعض، وإنما ستطفو بحرية في السائل. في الحقيقة، لا تحتوي عينة بروميد الرصاص الثنائي السائلة المنصهرة إلا على أيونات رصاص وأيونات بروميد تطفو لتكوين السائل.
عندما نسخن بروميد الرصاص الثنائي حتى يصل إلى الحالة السائلة، يصبح إلكتروليتًا. الإلكتروليت مادة تتكون من أيونات يمكنها توصيل الكهرباء. والكهرباء تدفق جسيمات مشحونة. لذا فإن بروميد الرصاص الثنائي السائل، بأيوناته الحرة الطافية، يمكنه توصيل الكهرباء، بينما لا يستطيع بروميد الرصاص الثنائي الصلب بأيوناته المترابطة فعل ذلك. يمكننا أيضًا تحويل بروميد الرصاص الثنائي الصلب إلى إلكتروليت بإضافة الماء لتكوين محلول مائي. سنتعرف على التحليل الكهربي لمحاليل الأملاح المائية في فيديو آخر.
تأتي الكهرباء في التحليل الكهربي من بطارية، أو أي مصدر طاقة آخر مشابه. توصل البطارية بسلكين لقطبين يتكونان عادة من مادة خاملة مثل البلاتين أو الكربون. باستخدام قطب خامل، تستطيع الإلكترونات أن تمر عبر القطب دون أن تشارك ذرات القطب في التفاعل. سنرى في بعض الأحيان البطارية مرسومة هكذا؛ أي في صورة خطين متوازيين موصلين بالسلكين. ويمثل الخط المتوازي الطويل الطرف الموجب للبطارية، ويمثل الخط المتوازي الأقصر الطرف السالب لها.
أثناء التحليل الكهربي، عندما نشغل الدائرة، تنتقل الأيونات السالبة المعروفة أيضًا باسم الأنيونات إلى القطب الموجب. وتنتقل الأيونات الموجبة المعروفة باسم الكاتيونات إلى القطب ذي الشحنة السالبة. في الواقع، يتوافق اسما القطبين مع نوعي الأيونات التي تنجذب إليهما. فتنجذب الأنيونات إلى الأنود أو المصعد، وتنجذب الكاتيونات إلى الكاثود أو المهبط. بعد فترة وجيزة من تشغيل الدائرة، سنرى فقاعات غازية بنية اللون تظهر عند المصعد وتتصاعد في الهواء. بالإضافة إلى ذلك، سنرى حبة فلزية سائلة فضية اللون أسفل المهبط.
ما الذي يحدث لإنتاج هاتين المادتين؟ حسنًا، تتجمع أيونات البروميد عند المصعد. وعند المصعد، يمنح كل أيون بروميد إلكترونًا واحدًا. وقد يمنح أيونان من البروميد إلكتروناتهما، فيجتمعان معًا لتكوين جزيء غاز البروم. وهذا الغاز البني الذي نراه هو غاز البروم. التفاعل النصفي لهذه العملية هو تفاعل أيوني بروميد لإنتاج جزيء غاز Br2 وإلكترونين. والإلكترونات التي تمنحها أيونات البروميد تتدفق عبر السلك إلى المهبط.
تتجمع أيونات الرصاص حول المهبط. وهناك يستطيع كل أيون رصاص اكتساب إلكترونين ليتحول إلى ذرة رصاص صلبة تغوص إلى قاع الإناء وتكون هذه الحبة السائلة ذات اللون الفضي. تتكون هذه الحبة من فلز الرصاص المنصهر. والتفاعل النصفي لهذه العملية تفاعل أيون رصاص زائد إلكترونين لإنتاج الرصاص.
هذه هي عملية التحليل الكهربي بشكل عام. تفصل الكهرباء الأيونات الموجبة والأيونات السالبة التي تكون بعد ذلك نواتج جديدة عند القطبين. نشير أحيانًا إلى التحليل الكهربي بأنه تفكك الإلكتروليت باستخدام الكهرباء. بعبارة أبسط، هو تكسير المادة التي توصل الكهرباء. في المثال الذي تناولناه، حللنا بروميد الرصاص لتكوين الرصاص وغاز البروم. وإذا كنا قد حللنا بدلًا من ذلك أكسيد الألومنيوم كهربيًّا، لكانت النواتج هي الألومنيوم وغاز الأكسجين.
يمكننا توسيع نطاق هذا النمط والقول إنه فيما يتعلق بالتحليل الكهربي للأملاح المنصهرة، تكون النواتج هي الصورة العنصرية للكاتيون والأنيون. وعادة يكون الكاتيون فلزًّا، بينما يكون الأنيون غازًا. كتبنا فيما سبق المعادلتين الكيميائيتين اللتين توضحان ما يحدث عند كل قطب. عند المهبط، يتحد أيون الرصاص اثنين موجب مع إلكترونين لتكوين الرصاص. وعند المصعد، يكون أيونان من البروميد غاز Br2 وإلكترونين. قد تبدو هاتان المعادلتان مختلفتين بعض الشيء عن المعادلات التي اعتدنا رؤيتها؛ وذلك لأنهما تمثلان تفاعلات نصفية. توضح التفاعلات النصفية تكوين ناتج واحد والإلكترونات المشاركة.
ثمة فئتان أساسيتان للتفاعلات النصفية. إما أن تكتسب الذرات أو الأيونات إلكترونات، وإما أن تفقد الذرات أو الأيونات إلكترونات. في التفاعل الموجود على اليسار، يكتسب أيون الرصاص إلكترونات لتكوين الرصاص. أما في التفاعل الموجود على اليمين، فيفقد كل أيون بروميد إلكترونًا واحدًا أثناء تكوين غاز البروم. عندما تكتسب الذرة أو الأيون إلكترونات، نسمي ذلك اختزالًا. في هذه الحالة، يختزل أيون الرصاص. وعلى الجانب الآخر، عندما تفقد الذرة أو الأيون إلكترونات، نسمي ذلك أكسدة. تتأكسد هنا أيونات البروميد لتكوين غاز البروم.
نظرًا لأن التفاعل الكامل يجمع بين تفاعل الاختزال النصفي وتفاعل الأكسدة النصفي، فإننا نسمي هذا التفاعل الكامل تفاعل الأكسدة والاختزال. بينما يصف تفاعل الأكسدة والاختزال التحليل الكهربي بالكامل، يعطينا كل تفاعل نصفي بعض المعلومات الإضافية حول ما يحدث للإلكترونات عند كل قطب.
أثناء التحليل الكهربي، تتدفق الإلكترونات عبر السلك من المصعد إلى المهبط حيث تمنح للأيونات. ومن ثم، يحدث تفاعل الاختزال النصفي، الذي يكتسب فيه الأيون إلكترونات، عند المهبط. وفي المقابل، بما أن الأيونات تمنح إلكتروناتها عند المصعد، فالمصعد هو المكان الذي يحدث عنده تفاعل الأكسدة. إذا واجهنا مشكلة في تذكر تعريفي الأكسدة والاختزال، فيمكننا ربطهما بكلمتي خسارة وفوز. فحرف السين مشترك في أكسدة وخسارة، وهي عملية تفقد فيها الإلكترونات. وحرف الزاي مشترك في اختزال وفوز، وهي عملية تكتسب فيها الإلكترونات. ويمكننا أيضًا استخدام عبارة بسيطة للتذكرة. فنتذكر بها أن فقد الإلكترونات أكسدة. واكتساب الإلكترونات اختزال.
تلخيصًا لما سبق، أثناء التحليل الكهربي يكتسب أيون إلكترونات، ويختزل عند المهبط. ويفقد الأيون الآخر إلكترونات، ويتأكسد عند المصعد. والآن بعد أن تعرفنا على التحليل الكهربي للأملاح المنصهرة، دعونا نحل بعض الأسئلة التدريبية للمراجعة.
في عملية التحليل الكهربي لبروميد الرصاص المنصهر، كما هو موضح في الصورة، ما القطب الموجود في الجانب الأيمن؟ (أ) المهبط، فهو يعمل على أكسدة البروم. (ب) المهبط، فهو يعمل على اختزال أيونات البروميد. (ج) المصعد، فهو يعمل على اختزال أيونات البروميد. (د) المصعد، فهو يعمل على أكسدة أيونات البروميد. (هـ) المصعد، فهو يعمل على أكسدة البروم.
توضح هذه الصورة التحليل الكهربي لبروميد الرصاص المنصهر مع تصاعد غاز بني اللون من أحد القطبين. هذا الغاز البني هو غاز البروم. يطلب منا السؤال وصف كيفية تكون غاز البروم، وتحديد القطب الذي يتكون عنده. يحتوي كل خيار على ثلاثة أجزاء، وهو ما يعني أن هناك ثلاث معلومات علينا جمعها للإجابة عن السؤال. هل ينتج غاز البروم عند المصعد أم المهبط؟ عندما ينتج غاز البروم، هل يتضمن ذلك أكسدة أم اختزالًا؟ وهل تحدث هذه الأكسدة أو الاختزال لأيونات البروميد أم ذرات البروم؟
لنبدأ بالمعلومة الثالثة. هل تحدث هذه العملية لأيونات البروميد أم لذرات البروم؟ يتكون بروميد الرصاص المنصهر من أيونات رصاص حرة طافية وأيونات بروميد. ويتطلب التحليل الكهربي إلكتروليتًا. الإلكتروليت مادة تتكون من أيونات أو لديها القدرة على إطلاق أيونات يمكنها توصيل الكهرباء. عند تشغيل الدائرة، تنجذب أيونات البروميد إلى أحد القطبين للبدء في تكوين غاز البروم. بما أن المتفاعلات في هذه العملية هي أيونات البروميد وليست ذرات البروم، يمكننا استبعاد الخيار (أ) والخيار (هـ).
بعد ذلك، لننظر إلى اسم القطب. تعرف أيونات البروميد السالبة الشحنة باسم الأنيونات. وتقابلها كاتيونات الرصاص الموجبة الشحنة. إلى أي قطب تنجذب الأنيونات، المصعد أم المهبط؟ حسنًا، يمكننا أن نتذكر أن الأسماء تتوافق بعضها مع بعض. تنجذب الأنيونات إلى الأنود أو المصعد، وتنجذب الكاتيونات إلى الكاثود أو المهبط. في هذا المثال، تنجذب أنيونات البروميد إلى المصعد؛ لذا يمكننا استبعاد الخيار (ب) أيضًا.
السؤال الأخير الذي علينا التفكير فيه هو: هل أيونات البروميد تتأكسد أم تختزل عند المصعد؟ لنلق نظرة على ما يحدث لأيونات البروميد عند المصعد للإجابة عن هذا السؤال. أولًا، يمنح كل أيون بروميد إلكترونًا إلى المصعد. بعد ذلك، يمكن للأيونات التي منحت إلكتروناتها الزائدة أن تتحد لتكون جزيء غاز البروم. التفاعل النصفي لهذه العملية تفاعل أيوني Br- لإنتاج Br2 وإلكترونين. بوضع هذه العملية في الاعتبار، هل تتأكسد أيونات البروميد أم تختزل؟
في هذه الحالة، بما أن أيونات البروميد تمنح إلكتروناتها أو تفقدها، فهذه أكسدة. على الجانب الآخر، يحدث الاختزال عندما تكتسب الذرة أو الأيون إلكترونات. على سبيل المثال، عند المهبط في هذه التجربة، تكتسب أيونات الرصاص إلكترونات أو تختزل لتكوين عنصر الرصاص. وبما أن أيونات البروميد تفقد إلكترونات أو تتأكسد، يمكننا تحديد الخيار (د) على أنه الإجابة الصحيحة. يؤدي التحليل الكهربي لبروميد الرصاص المنصهر إلى تكون غاز البروم البني اللون بوصفه ناتجًا. وتنجذب أيونات البروميد إلى المصعد حيث تمنح إلكترونات لتكوين غاز البروم. وبما أن أيونات البروميد تفقد إلكترونات، نسمي هذه العملية أيضًا أكسدة.
إذن في عملية التحليل الكهربي لبروميد الرصاص المنصهر الموضحة في الصورة، ما القطب الموجود في الجانب الأيمن؟ إنه الخيار (د)، المصعد، فهو يؤكسد أيونات البروميد.
يمكن الحصول على فلز الباريوم من خلال التحليل الكهربي لأحد أملاحه المنصهرة. أي المعادلات الآتية توضح التفاعل الذي يحدث عند القطب السالب؟ (أ) الباريوم زائد إلكترونين ينتج الباريوم اثنين موجب. (ب) الباريوم ينتج أيون الباريوم اثنين موجب زائد إلكترونين. (ج) أيون الباريوم اثنين موجب زائد إلكترونين ينتج الباريوم. (د) أيون الباريوم اثنين موجب زائد إلكترونين ينتج ذرتي باريوم. (هـ) أيون الباريوم اثنين موجب ينتج الباريوم وإلكترونين.
يسأل هذا السؤال عن التحليل الكهربي لملح منصهر. تحدث هذه العملية عندما نغمس قطبين موصلين ببطارية في ملح في صورته السائلة. يتكون الملح السائل من أيونات حرة طافية موجبة وسالبة. في هذا السؤال، الأيونات الموجبة أو الكاتيونات هي أيونات الباريوم. ونوع الأيونات السالبة ليس مهمًّا للإجابة عن السؤال، لذا فلنستخدم مثلًا الكلوريد. عند تشغيل الدائرة، ستنجذب الأيونات إلى القطبين المتعاكسي الشحنة. وعندما تصل الأيونات إلى كل قطب، سيحدث تفاعل.
يسأل هذا السؤال عما يحدث لأيونات الباريوم على سطح القطب الموضح هنا على اليسار؟ يحتوي كل خيار على المعلومات الثلاث نفسها مع إعادة ترتيبها. لكي نجيب عن هذا السؤال، علينا أن نسأل أنفسنا: متى توجد أيونات الباريوم؟ ومتى توجد ذرات الباريوم؟ وهل تكتسب أم تفقد إلكترونات خلال هذه العملية؟
فلنلق نظرة على رأس السؤال لنحصل على بعض المعلومات عما يحدث. كما أوضحنا للتو، يحتوي الملح المنصهر على أيونات. والتحليل الكهربي لملح منصهر يبدأ بالأيونات. وبالمثل، إذا كنا نحاول الحصول على فلز الباريوم، فهذا يعني أن الصورة الذرية للباريوم لا بد أن تكون ناتجًا للتفاعل. وهذا يعني أنه يمكننا استبعاد الخيارين (أ) و(ب). فنريد أن يكون الأيون في الطرف الأيسر من المعادلة باعتباره متفاعلًا، وأن تكون الذرة في الطرف الأيمن من المعادلة باعتبارها ناتجًا. نعلم أن فلز الباريوم سيتكون باعتباره ناتجًا للتفاعل. وسيتحقق ذلك من خلال طلائه للقطب.
سؤالنا التالي هو: ماذا يحدث للإلكترونات لكي يتحقق ذلك؟ في التحليل الكهربي، تتدفق الإلكترونات من المصعد إلى المهبط. تؤخذ من الأيونات الموجودة عند المصعد، وتمنح للأيونات الموجودة عند المهبط. في هذا المثال، تمنح الإلكترونات الموجودة عند المهبط لأيونات الباريوم اثنين موجب. توازن شحنة أيون الباريوم اثنين موجب الشحنة المتحدة اثنين سالب للإلكترونين. ونتيجة لذلك، تتكون ذرات فلز الباريوم. يمكننا تبسيط هذه العملية بقول إن أيون الباريوم اكتسب إلكترونات لتكوين الذرة. الخيار (هـ)، الذي تكون فيه الإلكترونات ناتجًا للتفاعل، هو الحالة العكسية؛ حيث تنطلق الإلكترونات من الأيون. ونحن نريد أن تتحد الإلكترونات مع الأيون لتكوين الذرة كما في الخيارين (ج) و(د).
الأمر الأخير الذي يجب أن نفكر فيه هو إذا ما كان اتحاد أيون الباريوم والإلكترونين ستنتج عنه ذرة باريوم واحدة أو ذرتان. باختصار، الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج). فيتحد أيون واحد مع إلكترونين لتكوين ذرة واحدة. يصف هذا التفاعل ما يحدث عند القطب السالب عندما نحلل كهربيًّا ملحًا منصهرًا يحتوي على الباريوم. سيكتسب أيون الباريوم إلكترونين لتكوين ذرة فلز الباريوم. عندما تكتسب ذرة أو أيون إلكترونات، نسمي ذلك اختزالًا.
التحليل الكهربي طريقة من طرق عزل الفلزات النقية. في الحقيقة، عزل الكيميائي البريطاني السير همفري ديفي الباريوم لأول مرة في عام 1808 عندما أجرى تحليلًا كهربيًّا لأكسيد الباريوم المنصهر. لذا عندما نحصل على فلز الباريوم من التحليل الكهربي لملحه المنصهر، فإن المعادلة التي توضح التفاعل الذي يحدث عند القطب السالب هي الاختيار (ج)، أيون الباريوم زائد إلكترونين ينتج ذرة باريوم.
والآن بعد أن تناولنا بعض الأسئلة التدريبية، فلنراجع نقاط الدرس الرئيسية. التحليل الكهربي هو في الأساس الفصل الكهربي للأيونات. والملح المنصهر هو الصورة السائلة لمركب أيوني. يتكون الملح المنصهر بالكامل من أيونات حرة طافية موجبة وسالبة. تكون نواتج التحليل الكهربي للملح المنصهر هي الصور الأولية للأيونات الموجودة فيه. عادة ما يكون الكاتيون فلزًّا، ويكون الأنيون غازًا.
عند تشغيل الدائرة، تتدفق الأنيونات السالبة إلى القطب المعروف بالمصعد؛ حيث تترك إلكتروناتها. عندما تفقد ذرة أو أيون إلكترونات، نسمي ذلك أكسدة. وفي المقابل، تتدفق الكاتيونات الموجبة الشحنة إلى المهبط حيث تكتسب إلكترونات. وتعرف عملية اكتساب الإلكترونات بالاختزال. وأخيرًا، توضح التفاعلات النصفية تكوين ناتج واحد والإلكترونات المشاركة. على سبيل المثال، التفاعل النصفي الذي يوضح تكوين الرصاص هو أيون الرصاص اثنان موجب زائد إلكترونين ينتج رصاصًا.
