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

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نتوقع نواتج التحليل الكهربي للمحاليل المائية للأملاح باستخدام سلسلة النشاط الكيميائي. يتناول هذا الفيديو التحليل الكهربي لمحاليل الأملاح. لكن ماذا يعني هذا المصطلح؟ يشير الوصف «كهربي» إلى كهرباء، و«التحليل» يعني الفصل. ولكن ما الذي نفصله؟ حسنًا، الملح كلمة مرادفة للمركب الأيوني. ومن ثم فنحن نفصل الأيونات الموجبة والأيونات السالبة في المركب. ومحلول الملح يعني أن هذه الأيونات ذائبة في الماء. والمحلول الناتج عن إذابة المركب الأيوني في الماء يسمى أحيانًا بالمحلول المائي. وهو يختلف عن النسخة السائلة من المركب الأيوني التي لا تحتوي على جزيئات ماء، وتتكون فقط من ملح منصهر سائل. إذن فالتحليل الكهربي لمحاليل الأملاح هو الفصل الكهربي للأيونات المذابة في الماء. دعونا نلق نظرة أقرب.

نبدأ بمحلول ملح، وليكن مثلًا بروميد البوتاسيوم المذاب في الماء. تطفو أيونات البوتاسيوم وأيونات البروميد بحرية في الماء. على سبيل التبسيط البصري، دعونا نمح جزيئات الماء، مع الأخذ في الاعتبار أن هذه الأيونات ذائبة بالفعل في الماء. الأيون الموجب الشحنة يسمى الكاتيون. والأيون السالب الشحنة يسمى الأنيون. سيفصل كلا النوعين من الأيونات باستخدام الكهرباء. وتستمد الكهرباء في التحليل الكهربي عادة من بطارية. تتصل البطارية بواسطة أسلاك بقطبين مغمورين في المحلول.

هذان القطبان يتكونان عادة من مادة خاملة ومستقرة، مثل البلاتين أو الكربون. يمكن للقطب غير التفاعلي أن يمرر الإلكترونات من المحلول إلى السلك دون أن يشارك في التفاعل. وعند تشغيل الدائرة، تمتد شحنة كل طرف من طرفي البطارية إلى القطب المتصل بها. بعد ذلك تنجذب الأيونات للقطب ذي الشحنة المعاكسة. في الواقع، تتوافق أسماء الأقطاب مع أسماء الأيونات. تنجذب الكاتيونات الموجبة إلى المهبط السالب. بينما تنجذب الأنيونات السالبة إلى المصعد الموجب. ونظرًا لأن محلول الملح يتكون من أيونات موجبة وأيونات سالبة، فتحدث هذه العملية بالطريقة نفسها أيًّا كانت الأيونات الموجودة.

ننظر هنا، على سبيل المثال، إلى محلول بروميد البوتاسيوم. لكن بإمكاننا فصل أيونات النحاس والكلوريد عن محلول كلوريد النحاس الثنائي بالطريقة نفسها تقريبًا. غير أن التحليل الكهربي لا يقتصر فقط على الفصل الفيزيائي لنوعين من الأيونات. فهناك أيضًا تفاعلات تحدث على سطح كل قطب وينتج عنها مواد جديدة. ولكي نفهم هذه التفاعلات، نحتاج إلى فهم كيفية تدفق الإلكترونات عبر الدائرة. تنجذب الأنيونات السالبة الشحنة بإلكتروناتها الإضافية إلى المصعد. وعند المصعد، تتخلى الأنيونات عن إلكتروناتها الإضافية. ومن ثم يأخذ المصعد هذه الإلكترونات ويمررها على طول الدائرة عبر السلك.

الكهرباء هي تدفق لجسيمات مشحونة؛ وأثناء التحليل الكهربي، تتدفق الإلكترونات من المصعد إلى المهبط. قبل أن ننظر إلى ما يحدث للإلكترونات في المهبط، دعونا ننظر لما يحدث أيضًا في المصعد. عندما تتخلى الأنيونات عن إلكتروناتها، فإنها تتوقف عن كونها أيونات وقد تكون مادة جديدة. وفي هذه الحالة، أي أيوني كلوريد يتخليان عن إلكتروناتهما قد يكونان رابطة لتكوين غاز الكلور. والتفاعل النصفي لهذه العملية هو أن أيونين من الكلوريد ينتجان غاز الكلور وإلكترونين. وسيرى غاز الكلور في صورة فقاعات تتكون على سطح القطب. إذن عندما تتخلى أيونات الكلوريد عن إلكتروناتها لتكوين غاز الكلور، تمرر هذه الإلكترونات إلى المهبط عبر السلك.

ماذا يحدث عند هذا القطب الآخر؟ في هذا المثال، تجمعت كاتيونات النحاس عند المهبط. بعد ذلك منحت الإلكترونات المتدفقة في القطب إلى الكاتيون الموجود في المحلول. يلغي الإلكترونان الشحنتين الموجبتين لأيون النحاس، ما ينتج عنه ذرة نحاس متعادلة تطلي القطب بوصفها نحاسًا صلبًا. والتفاعل النصفي لهذه العملية هو أيون ‪Cu2+‬‏ زائد إلكترونين يكون النحاس. وفي مثل هذه التفاعلات التي يكتسب فيها أيون فلزي إلكترونات لتكوين فلز صلب، يمكننا رؤية الفلز وهو يتكون على سطح القطب. في هذا المثال، ستظهر طبقة بنية رقيقة على الجزء المغمور من القطب. لكن لون الطبقة سيتغير حسب ماهية الفلز. هذا هو التحليل الكهربي لمحاليل الأملاح بشكل عام.

لقد فصلنا الأيونات الموجبة والأيونات السالبة، ومن خلال تمرير الإلكترونات عبر الدائرة تكونت مواد جديدة عند كل قطب. في أثناء التعرف على التحليل الكهربي لكلوريد النحاس الثنائي، لعلك لاحظت أن المعادلات الكيميائية التي كتبناها تبدو مختلفة قليلًا عن المعادلات الكيميائية التي اعتدنا عليها. تعرف المعادلات الكيميائية كتلك الموضحة هنا بالتفاعلات النصفية. يوضح التفاعل النصفي تكوين ناتج واحد بالإضافة إلى الإلكترونات المتضمنة في هذا التكوين. ويوجد نوعان من التفاعلات النصفية. فهناك تفاعلات نصفية تكتسب فيها الذرة أو الأيون إلكترونات، وهناك تفاعلات نصفية تفقد فيها الذرة أو الأيون، أو في هذه الحالة زوج من الأيونات، الإلكترونات.

لدينا أيضًا أسماء لهذين النوعين من التفاعلات النصفية. فالتفاعل النصفي الذي تكتسب فيه الذرة أو الأيون إلكترونات يعرف بالاختزال. في هذه الحالة، يختزل أيون النحاس عندما يكتسب إلكترونين لتكوين النحاس الصلب. وعندما تفقد الذرة أو الأيون إلكترونات، فهذا يعرف بالأكسدة. وفي هذه الحالة، تتأكسد أيونات الكلوريد عند تخليها عن الإلكترونات لتكوين غاز الكلور. في الواقع، يمكن دمج هذين الاسمين عند الحديث عن تفاعل أكسدة واختزال كامل. فيمكننا كتابة تفاعل الأكسدة والاختزال الكامل حيث يتفكك كلوريد النحاس الثنائي لتكوين النحاس الصلب وغاز الكلور. لكن التفاعلات النصفية تعطينا بعض المعلومات المفيدة حول ما يحدث للإلكترونات خلال تلك العملية.

فيما يتعلق بمصطلحي الأكسدة والاختزال، يمكننا أن نتذكر ما يعنيه كلا المصطلحين من خلال ربطهما بكلمتي «خسارة» و«فوز». فحرف السين مشترك في كلمتي «أكسدة» و«خسارة»، وهي عملية تفقد فيها الإلكترونات. وحرف الزاي مشترك في كلمتي «اختزال» و«فوز»، وهي عملية تكتسب فيها الإلكترونات. إذا حدثت الأكسدة والاختزال معًا أثناء التحليل الكهربي، فإن الاختزال يحدث عند المهبط. في الوقت ذاته تحدث الأكسدة عند المصعد. تنجذب الأنيونات السالبة الشحنة إلى المصعد حيث تتخلى عن إلكتروناتها الإضافية.

وعلى العكس من ذلك، فإن الكاتيونات الموجبة الشحنة تنجذب نحو المهبط حيث تكتسب الإلكترونات. بالنسبة إلى هذا التحليل الكهربي تحديدًا، التحليل الكهربي لكلوريد النحاس الثنائي، النواتج فيه هي النحاس الصلب وغاز الكلور. إلا أنه قد تظهر عدة نواتج أخرى عند التحليل الكهربي لمواد أخرى. دعونا نلق نظرة على التفاعلات النصفية المحتملة الأخرى عند كل قطب لكي نتوقع نتائج التحليل الكهربي.

من أهداف هذا الفيديو أن تكون قادرًا على توقع نتائج التحليل الكهربي لأي محلول ملح. في هذا المثال، نواتج التحليل الكهربي لكلوريد النحاس الثنائي هي النحاس الصلب عند المهبط وغاز الكلور عند المصعد. وبناء على هذه النتيجة الأولية، من المغري أن نقول إن الناتج عند المهبط والمصعد سيكون ببساطة هو الصورة العنصرية للكاتيون والأنيون، على الترتيب. لكن ليس هذا هو الحال دائمًا. إذا حللنا كلوريد الصوديوم كهربيًّا، وهو ما يعرف أيضًا بمحلول براين، فسينتج غاز الكلور عند المصعد كما هو متوقع، نظرًا لوجود أيونات الكلوريد في محلول الملح الأولي. لكن عند المهبط، سينتج غاز الهيدروجين بدلًا من الصوديوم الصلب الذي قد نتوقع أن ينتج.

وكذلك فإن التحليل الكهربي لكبريتات المغنيسيوم ينتج عنه نواتج مثيرة للاهتمام أيضًا. فينتج غاز الهيدروجين عند المهبط أيضًا، بينما ينتج غاز الأكسجين عند المصعد. تعرفنا بالفعل على كيفية تكون بعض النواتج عندما تكتسب الأيونات في محلول الملح الإلكترونات أو تفقدها لتكوين صورتها العنصرية. لكن ما الذي يفسر ظهور هذه النواتج غير المتوقعة التي لا تعد جزءًا من الملح الأصلي؟ دعونا نلق نظرة أقرب على التحليل الكهربي لكبريتات المغنيسيوم لكي نجد إجابة.

عند تشغيل الدائرة، ستنجذب أيونات المغنيسيوم نحو المهبط، وأيونات الكبريتات إلى المصعد. لكن جدير بالذكر أن تلك ليست الأيونات الوحيدة في المحلول. فقد تتمكن القوى الكهروستاتيكية القوية من تفكيك جزيئات الماء الموجودة في المحلول. وعند تفككها، سيكون كل جزيء ماء أيون هيدروجين واحدًا وأيون هيدروكسيد واحدًا. وعند تكون هذين الأيونين، سينجذب أيون الهيدروكسيد السالب نحو المصعد، بينما ينجذب أيون الهيدروجين الموجب نحو المهبط. عند المصعد، بدلًا من جذب الإلكترونات من الأيون الموجود في الملح، كما جذبت الإلكترونات من أيون الكلوريد لتكوين غاز الكلور، تجذب الإلكترونات من أيون الهيدروكسيد، وهو ذلك الأيون الذي ينتج عند تفكك جزيء الماء.

وعند القطب الآخر يحدث شيء مشابه. بدلًا من منح الإلكترونات لأيون المغنيسيوم من الملح، تمنح الإلكترونات لأيون الهيدروجين من الماء. وعند كل قطب، سيكون تفاعل نصفي معين النواتج التي نراها هنا. فستتخلى أربعة أيونات هيدروكسيد عن إلكتروناتها بحيث تنتج هذه الإلكترونات الأربعة، وجزيئًا واحدًا من غاز الأكسجين، وجزيئين من الماء. عند المهبط، يتحد أيونان من الهيدروجين مع إلكترونين لتكوين غاز الهيدروجين. والآن أصبح لدينا تفسير لتكون هذه النواتج الغامضة. فاعتمادًا على الأيونات التي تكتسب الإلكترونات أو تفقدها في المحلول، قد تكون النواتج هي الصور العنصرية للأيونات الموجودة في الملح أو غاز الهيدروجين أو غاز الأكسجين.

لكن يبقى السؤال. كيف نعرف أي أيون سيشارك في نقل الإلكترونات؟ من المصطلحات الأساسية التي يجب أن نعرفها في هذا الفيديو مصطلح التفريغ من الشحنة. تفرغ شحنة الأيون عند إزالته من المحلول عن طريق تكوين ذرة. في الأمثلة التي ذكرناها حتى الآن، عندما تفرغ الأيونات من الشحنة، تكون فلزات صلبة أو غازات. وعند توقع نواتج التحليل الكهربي، فمن الأسئلة المهمة التي يجب طرحها: أي أيون سيفرغ من الشحنة؟ عرفنا بالفعل أنه عند كل قطب يوجد مرشحان لأن يكونا الأيون المفرغ من الشحنة. فقد يكون الأيون الموجود في الملح أو الأيون الموجود في الماء. وستجتمع الأيونات الموجبة من كل نوع عند المهبط، بينما تجتمع الأيونات السالبة من كل نوع عند المصعد.

لحسن الحظ هناك قاعدتان بسيطتان يمكننا اتباعهما لتحديد الأيون الذي يفرغ من الشحنة. لفهم القاعدة التي تنطبق على المهبط، علينا إلقاء نظرة على سلسلة النشاط الكيميائي. سلسلة النشاط الكيميائي هي قائمة بالفلزات المرتبة من أكثرها نشاطًا في الأعلى حتى أقلها نشاطًا في الأسفل. مع وجود سلسلة النشاط الكيميائي أمامنا، يمكننا النظر إلى قاعدة تفريغ الأيون من الشحنة عند المهبط. إذا كان الأيون المأخوذ من الملح فلزًّا أقل نشاطًا من الهيدروجين، فسيفرغ ذلك الأيون الفلزي من شحنته. بخلاف ذلك سيفرغ أيون الهيدروجين الموجود في الماء.

والفلزات الأقل نشاطًا من الهيدروجين هي الفلزات الموجودة أسفل الهيدروجين في سلسلة النشاط الكيميائي. وهذه الفلزات تشمل النحاس والزئبق والفضة والذهب والبلاتين. وهذه هي الفلزات التي ستفرغ من الشحنة لتطلي طبقة من الفلز الصلب على الأقطاب أثناء عملية التحليل الكهربي. وهذه الأيونات تكون ذرات بدلًا من أيون الهيدروجين لأنها تتطلب طاقة أقل لفعل ذلك. وعلى العكس من ذلك، أيونات الفلزات الأعلى من الهيدروجين في سلسلة النشاط الكيميائي، مثل المغنيسيوم المذكور في هذا المثال، تتطلب طاقة أكبر من تلك التي يتطلبها الهيدروجين كي تتحول إلى ذرة. ومن ثم تفرغ أيونات الهيدروجين من شحنتها بدلًا منها.

يمكننا استخدام ماهية الأيون الذي تم تفريغه من الشحنة لتوقع نواتج التفاعل. فتفريغ شحنة أيون فلز أقل نشاطًا من الهيدروجين ستنتج عنه الصورة الصلبة من هذا الفلز. وتفريغ أيون الهيدروجين سينتج عنه غاز الهيدروجين. يمكننا اتباع قاعدة مشابهة عند المصعد. تنص القاعدة على أنه إذا كان الأنيون الموجود في الملح من الهاليدات، فسيكون هو الأيون المفرغ من الشحنة. وإلا فستفرغ شحنة أيون الهيدروكسيد الموجود في الماء بدلًا منه. والسبب وراء هذه القاعدة مماثل للسبب وراء القاعدة الأخرى. فتحويل هاليد إلى ذرة يتطلب طاقة أقل مما يتطلبه تحويل الأنيونات الأخرى إلى ذرة.

إذن فماهية الأيون المفرغ من الشحنة هي التي تحدد ناتج التحليل الكهربي. فإذا فرغنا شحنة أيون هاليد، فسيكون الناتج غاز هالوجين مثل غاز الكلور أو غاز الفلور. وفي غياب الهاليد، تفرغ شحنة أيون الهيدروكسيد وينتج غاز الأكسجين على سطح المصعد. باتباع القواعد التي ذكرناها هنا، يمكننا تحديد الأيون الذي سيفرغ من الشحنة عند كل قطب، وكذلك يمكننا توقع الناتج الذي سيتكون عندما يكتسب الأيون الإلكترونات أو يفقدها.

هناك عدة طرق يمكننا من خلالها الاستفادة من التحليل الكهربي في المواقف الحياتية المعتادة. ومن أمثلة ذلك ترميم القطع الأثرية. بمرور الزمن وخاصة عند التعرض للماء، القطع الأثرية المعدنية، مثل العملات المعدنية والمسامير والتماثيل، قد تكون شوائب من الكلوريد. وشوائب الكلوريد هذه تجعل القطع الأثرية تبدو متكتلة ومتسخة ولا يمكن التعرف عليها تقريبًا. لحسن الحظ يمكننا إعادة القطعة الأثرية إلى مظهرها الأولي باستخدام التحليل الكهربي بحيث تكون القطع الأثرية هي المهبط. عند تشغيل الدائرة، تدخل أيونات الكلوريد من شوائب الكلوريد في المحلول، حيث تنجذب إلى المصعد. تتخلى أيونات الكلوريد عن إلكتروناتها، وتتجمع وتكون غاز الكلور الذي يكون فقاعات على سطح المصعد. وبمرور الزمن، تذوب شوائب الكلوريد داخل المحلول، وتتبقى القطعة الأثرية المحتفظة بمظهرها الأصلي.

ثمة استخدام آخر للتحليل الكهربي يسمى الطلاء بالكهرباء. في هذه العملية، نطلي الجسم المعدني بطبقة رقيقة من معدن آخر. لأغراض جمالية، قد نرغب في طلاء قطعة من المجوهرات بالذهب أو النحاس أو طلاء قطعة خارجية في السيارة بالكروم. ويمكننا أيضًا طلاء جزء من آلة بمعدن معين لكي نكسبها خواص خارجية معينة، مثل مقاومة التآكل أو مقاومة الماء. لكي نطلي جسمًا معدنيًّا بالكهرباء، نستخدم التحليل الكهربي بحيث يكون هذا الجسم هو المهبط. ونختار محلولًا يكون فيه الأيون الفلزي في المحلول هو الفلز الذي سنطليه على سطح الجسم.

في هذا المثال، عند تشغيل الدائرة تتدفق أيونات النحاس نحو المهبط. وعند المهبط، تتلقى الإلكترونات وتطلي طبقة من النحاس الصلب، ما ينتج عنه تغطية الجسم بطبقة خارجية رقيقة من المعدن. في كلا الموقفين، ترميم القطع الأثرية والطلاء بالكهرباء، يمكننا استخدام التحليل الكهربي لاستغلال الأيونات والمواد الموجودة لصالحنا.

أما وقد تعرفنا على التحليل الكهربي لمحاليل الأملاح، فلنراجع أهم النقاط المذكورة في هذا الفيديو. التحليل الكهربي هو الفصل الكهربي للأيونات. أثناء التحليل الكهربي، توجد بطارية متصلة بقطبين. المهبط السالب يجذب الكاتيونات الموجبة من محلول الملح. في الوقت ذاته، المصعد الموجب يجذب الأنيونات السالبة. وبعد انجذاب الأيونات إلى كل قطب، تفرغ من الشحنة أو تزال من المحلول. عند تفريغ أيون من شحنته أثناء عملية التحليل الكهربي، يكون ناتج هذه العملية فلزًّا أو غازًا.

عند كل قطب، قد يكون الأيون المفرغ من شحنته هو الكاتيون أو الأنيون من الملح في المحلول. وقد يأتي من الماء في صورة أيون الهيدروجين الموجب أو أيون الهيدروكسيد السالب. توضح التفاعلات النصفية متى يكتسب الأيون أو الذرة الإلكترونات أو يفقدها، وهو ما يعرف أيضًا بالاختزال أو الأكسدة على الترتيب. من أمثلة التفاعلات النصفية لتكوين النحاس تفاعل أيون النحاس اثنين موجب زائد إلكترونين لتكوين النحاس الصلب. يمكن استخدام التحليل الكهربي لمحاليل الأملاح في ترميم القطع الأثرية وطلاء الأجسام المعدنية.