ملخص الكيمياء تانية ثانوي، الترم الأول التفاعلات عند الأقطاب الكهربائية (التحليل الكهربائي 1)

أهداف التعلم

1. تعريف التحليل الكهربائي وتحديد دوره في تحفيز تفاعلات الأكسدة‑اختزال غير التلقائية.
2. تمييز تأثير نوع القطب (بلاتين/كربون أو معدن غير نبيل) على التفاعل الذي يحدث عنده.
3. معرفة الأيونات التي تُؤكسد أو تُختزل عند الأنود والكاثود في محاليل حمضية، قاعدية أو محايدة.
4. كتابة معادلات نصف التفاعل للأنود والكاثود في حالات مختلفة (أيونات الهاليد، أيونات الفلز، ماء، هيدروكسيد).
5. شرح مبدأ غشاء التبادل الكاتيوني وتطبيقه في إنتاج هيدروكسيد الصوديوم من محلول كلوريد الصوديوم.
6. ربط مفهوم التحليل الكهربائي بتطبيقات صناعية واقتصادية مثل إنتاج الهيدروجين والكلور.

---

المصطلحات والتعريفات الكيميائية

---

التفاعلات والمعادلات الكيميائية

1. أكسدة أيونات الهاليد عند الأنود (قطب خامل)

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

نوع التفاعل: أكسدة‑اختزال (أكسدة)
الشروط: القطب من البلاتين أو الكربون، وجود أيونات كلوريد في المحلول.
الملاحظة: يتصاعد غاز كلور أصفر اللون مع رائحة كاشفة.

2. أكسدة الماء إلى أكسجين في محلول حمضي أو محايد (قطب خامل)

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻

نوع التفاعل: أكسدة‑اختزال (أكسدة)
الشروط: القطب من البلاتين أو الكربون، محلول ماء حمضي أو محايد.
الملاحظة: يتصاعد غاز أكسجين عديم اللون ولا رائحة.

3. أكسدة أيونات الهيدروكسيد إلى أكسجين في محلول قاعدي (قطب خامل)

4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻

نوع التفاعل: أكسدة‑اختزال (أكسدة)
الشروط: القطب من البلاتين أو الكربون، محلول قاعدي (مثال NaOH).
الملاحظة: يتصاعد غاز أكسجين، ويلاحظ ارتفاع درجة حرارة المحلول.

4. تأكسد معدن القطب غير الخامل (مثال نحاس)

Cu → Cu²⁺ + 2e⁻

نوع التفاعل: أكسدة‑اختزال (أكسدة)
الشروط: القطب من معدن غير نبيل (نحاس، حديد …) في محلول يحتوي على أيونات أخرى.
الملاحظة: يذوب معدن القطب ويظهر لون أزرق للـ Cu²⁺ في المحلول.

5. اختزال أيونات الفلز ذات النشاط الأقل من الهيدروجين عند الكاثود

Ag⁺ + e⁻ → Ag

نوع التفاعل: أكسدة‑اختزال (اختزال)
الشروط: وجود أيونات فضة (Ag⁺) في المحلول، القطب كاثود (سالب).
الملاحظة: يتراكم راسب فضة لامع على سطح القطب.

6. اختزال أيونات الفلز ذات النشاط الأعلى من الهيدروجين (الماء يُختزل)

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

نوع التفاعل: أكسدة‑اختزال (اختزال)
الشروط: وجود أيونات فلز أكثر نشاطاً من الهيدروجين (مثل Na⁺) في المحلول.
الملاحظة: يتصاعد غاز هيدروجين عديم اللون مع فقاعات صغيرة على الكاثود.

7. اختزال أيونات الهيدروجين في محلول حمضي عند الكاثود

2H⁺ + 2e⁻ → H₂

نوع التفاعل: أكسدة‑اختزال (اختزال)
الشروط: محلول حمضي (مثال H₂SO₄ مخفف)، القطب كاثود.
الملاحظة: يتصاعد غاز هيدروجين مع صوت فرقعة خفيف.

8. مثال التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم باستخدام غشاء كاتيوني

أنود (كربون):

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

كاثود (حديد أو أي معدن غير خامل):

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

نقل Na⁺ عبر الغشاء: Na⁺ ينتقل من حجرة الأنود إلى حجرة الكاثود، حيث يتحد مع OH⁻ لتكوين NaOH.

9. مثال التحليل الكهربائي لحمض الكبريتيك المخفف (قطبان من البلاتين)

أنود:

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻

كاثود:

2H⁺ + 2e⁻ → H₂

الملاحظة: ينتج كل من غاز الأكسجين والهيدروجين، ولا يشارك أيون الكبريتات في التفاعل.

---

الخواص والتركيب (الموضوع الأول)

• القطب الخامل (بلاتين/كربون) لا يذوب ولا يشارك في التفاعل ككاثيون؛ يقتصر دوره على توصيل التيار وتوفير سطح لتفاعل الأيونات.
• القطب غير الخامل يتأكسد إلى أيون موجب، وبالتالي يساهم في تكوين أيونات إضافية في المحلول.
• المحلول الحمضي يحتوي على تركيز عالٍ من H⁺؛ يفضَّل اختزال H⁺ إلى H₂ عند الكاثود.
• المحلول القاعدي يحتوي على OH⁻؛ يُؤكسد OH⁻ إلى O₂ عند الأنود، ويُختزل الماء إلى H₂ عند الكاثود.
• الأيونات غير القابلة للاختزال (مثل Cl⁻ في محلول حمضي) تُؤكسد إلى عناصرها (Cl₂) عند الأنود.

---

التطبيقات والاستخدامات (الموضوع الثاني)

1. إنتاج الهيدروجين والكلور: تُستَخدم عملية التحليل الكهربائي للمحلول الملحي لإنتاج هيدروجين كوقود نظيف و كلور لتطهير المياه.
2. صناعة هيدروكسيد الصوديوم: طريقة غشاء التبادل الكاتيوني تُستَخدم في مصانع NaOH حيث يُنتج NaOH عالي النقاء من NaCl عبر التحليل الكهربائي.
3. الاقتصاد الهيدروجيني: يعتمد على (i) التحليل الكهربائي للماء لتوليد H₂ باستخدام طاقة شمسية أو طاقة متجددة، (ii) خلايا الوقود لتحويل H₂ إلى كهرباء مرة أخرى.
4. معالجة المياه: يُستَخدم كلور الناتج عن التحليل الكهربائي لتطهير مياه الشرب والصرف الصحي.

---

جدول مقارنة

---

مسائل محلولة

مسألة 1

المعطى: محلول NaCl 0.5 M يُحلَّل كهربائياً باستخدام قطب كربون (أنود) وقطب حديد (كاثود). يُمرَّر تيار 2 A لمدة 30 دقيقة. احسب عدد مولات كلور (Cl₂) المتكونة عند الأنود.

الحل:

• عدد الكولومات = التيار × الزمن = 2 A × (30 min × 60 s/min) = 2 A × 1800 s = 3600 C.
• كل جزيء Cl₂ يحتاج 2 e⁻ (من معادلة 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻). عدد الفولت‑كولوم لكل مول إلكترون = 96 485 C/mol.
• عدد مولات الإلكترونات = 3600 C ÷ 96 485 C mol⁻¹ ≈ 0.0373 mol e⁻.
• لأن كل مول Cl₂ يحتاج 2 مول e⁻، فإن عدد مولات Cl₂ = 0.0373 mol ÷ 2 ≈ 0.0187 mol.

النتيجة: ينتج تقريباً 0.019 مول من غاز الكلور.

مسألة 2

المعطى: في خلية تحليل كهربائي لحمض الكبريتيك المخفف (H₂SO₄ 0.1 M) بقطبين من البلاتين، يُمرَّر تيار 5 A لمدة 10 دقائق. احسب حجم الهيدروجين المتولد عند الكاثود عند درجة حرارة 25 °C وضغط 1 atm.

الحل:

• عدد الكولومات = 5 A × (10 min × 60 s/min) = 5 A × 600 s = 3000 C.
• معادلة الاختزال: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂؛ كل مول H₂ يحتاج 2 mol e⁻.
• مولات الإلكترونات = 3000 C ÷ 96 485 C mol⁻¹ ≈ 0.0311 mol e⁻.
• مولات H₂ = 0.0311 mol ÷ 2 ≈ 0.0156 mol.
• حجم الغاز عند الظروف القياسية (22.4 L mol⁻¹): V = 0.0156 mol × 22.4 L mol⁻¹ ≈ 0.35 L.

النتيجة: ينتج حوالي 0.35 لتر من غاز الهيدروجين.

---

تنبيهات الامتحان (أخطاء شائعة)

1. خلط نصف التفاعل عند الأنود مع نصف التفاعل عند الكاثود. يجب تذكر أن الأنود هو موقع الأكسدة والكاثود هو موقع الاختزال.
2. إهمال تأثير pH على الاختيار بين اختزال أيون الفلز أو اختزال الماء. في محلول قاعدي أو عندما تكون أيونات الفلز أكثر نشاطاً من H⁺، يُختزل الماء.
3. استخدام رموز غير صحيحة للأيونات (مثل كتابة Cl⁻ ك Cl). يجب كتابة الصيغ مع الأعداد السفلية والرموز السالبة.
4. نسيان أن القطب غير الخامل يذوب ويضيف أيونات إلى المحلول، مما يغير تركيز الأيونات. هذا يؤثر على حسابات الكتلة أو المولارية.

---

قائمة المراجعة (ما لا بد من مراجعته)

• [ ] تعريف التحليل الكهربائي ومفهوم التيار الكهربائي كعامل محفز.
• [ ] معرفة الفرق بين الأنود والكاثود ووظائفهما.
• [ ] حفظ معادلات أكسدة أيونات الهاليد (Cl⁻، Br⁻، I⁻).
• [ ] حفظ معادلة أكسدة الماء في الظروف الحمضية والقاعدية.
• [ ] حفظ معادلة اختزال أيونات الفلز ذات النشاط الأقل من الهيدروجين.
• [ ] حفظ معادلة اختزال الماء عندما تكون أيونات الفلز أكثر نشاطاً من H⁺.
• [ ] معرفة متى يُختزل H⁺ مباشرة (محلول حمضي).
• [ ] فهم دور غشاء التبادل الكاتيوني في فصل Na⁺ عن Cl⁻.
• [ ] القدرة على كتابة معادلات نصف التفاعل في شكل كود داخل القوسين.
• [ ] حساب عدد مولات الغاز المتولد من التيار باستخدام قانون فاراداي.
• [ ] تمييز القطب الخامل عن القطب غير الخامل في الأسئلة التجريبية.
• [ ] ربط مفهوم التحليل الكهربائي بتطبيقات صناعية (إنتاج H₂، Cl₂، NaOH).

---

جميع المعادلات دفعة واحدة

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻
Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
Ag⁺ + e⁻ → Ag
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
2H⁺ + 2e⁻ → H₂
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻   (في محلول حمضي مع قطب بلاتين)
2H⁺ → H₂                (اختزال في محلول حمضي)

---

بالتوفيق في امتحاناتك!