ملخص الكيمياء تانية ثانوي، الترم الأول التحليل الكهربائي (2) (كمية الكهرباء، خليتان تحليليتان)

أهداف التعلم

1. فهم العلاقة بين التيار الكهربائي والكمية المارة (Q) والزمن (t).
2. حساب كمية الكهرباء باستخدام العلاقة Q = I × t.
3. استعمال ثابت فاراداي (F) لتحديد عدد الإلكترونات المتنقلة في عملية التحليل الكهربائي.
4. تحديد المكافئ الكهروكيميائي (Z) وربطه بالكتلة المترسبة.
5. تمييز نوعية التفاعلات التي تحدث عند الأقطاب في خلايا التحليل الكهربائي المختلفة.
6. تطبيق مفهوم التحليل الكهربائي في تنقية النحاس (التكرير الكهربي) وفهم تكوين “أنود سلايم”.

---

المصطلحات والتعريفات الكيميائية

---

التفاعلات والمعادلات الكيميائية

1. علاقة كمية الكهرباء بالتيار والزمن

Q = I × t

الرموز: Q (كولوم C)، I (أمبير A)، t (ثانية s).

2. علاقة كمية الكهرباء بعدد الإلكترونات (باستخدام ثابت فاراداي)

Q = F × n(e⁻)

الرموز: n(e⁻) عدد مولات الإلكترونات المتنقلة.

3. كتلة المادة المترسبة وعلاقتها بكمية الكهرباء

m = Z × I × t

أو بالصيغة المختصرة: m = Z Q.

4. المكافئ الكهروكيميائي (Z)

Z = (الكتلة المولية) ÷ (n × F)

5. تفاعلات الأكسدة‑اختزال في خلية النحاس (Cu)

• أنود (أكسدة):

Cu → Cu²⁺ + 2e⁻

• كاثود (اختزال):

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

6. تفاعلات خلية كلوريد الصوديوم (NaCl) في محلول مائي

• أنود (أكسدة):

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

• كاثود (اختزال):

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

7. علاقة الخلايا المتسلسلة بكمية الكهرباء

Q_A = Q_B = Q (نفس الشحنة تمر عبر كل خلية)

8. معادلة التكرير الكهربي للنحاس (الأنود والكاتود)

• أنود (إذابة النحاس غير النقي):

Cu → Cu²⁺ + 2e⁻

• كاثود (ترسيب النحاس النقي):

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

9. ترسيب معادن أقل تفاعلاً على الأنود (تكوين الأنود سلايم)

Au⁺, Ag⁺, … → Au, Ag, … (عناصر صلبة)

---

الخواص والتركيب

---

التطبيقات والاستخدامات

1. إنتاج النحاس النقي للأسلاك الكهربائية – تُستَخدم الشركات التحليل الكهربائي لتحديد كمية النحاس التي ستترسب قبل بدء العملية، عبر قياس التيار والزمن.
2. التكرير الكهربي للمعادن الثمينة – يُستَخدم لتقليل الشوائب في معادن مثل الذهب والفضة، حيث تُترسب هذه الشوائب كأنود سلايم.
3. الطلاء الكهربائي (الإلكتروليت) – يُستَخدم لتغطية قطع معدنية بطبقة رقيقة من معدن آخر (مثال: طلاء عملة أو مفتاح بنحاس).
4. الصناعة الإلكترونية – يضمن التكرير الكهربي توصيلًا كهربائيًا عاليًا وتقليل خسائر الطاقة في الأجهزة.

---

جدول مقارنة بين الخليتين التحليلية

---

مسائل محلولة

مسألة 1

المعطى: خلية (ب) (محلول NaCl) تعمل بتيار ثابت I = 2.0 A لمدة t = 1800 s. ثابت فاراداي F = 9.65 × 10⁴ C / mol.

المطلوب: حساب كمية الكهرباء Q المارة، وعدد مولات الإلكترونات المتنقلة، وكمية غاز الكلور (Cl₂) المتكونة.

الحل:

1. حساب Q:

Q = I × t = 2.0 A × 1800 s = 3600 C

2. عدد مولات الإلكترونات:

n(e⁻) = Q ÷ F = 3600 C ÷ (9.65 × 10⁴ C / mol) ≈ 0.0373 mol

3. من معادلة الأنود: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻ → كل 2 مول من e⁻ ينتج 1 مول من Cl₂.
   عدد مولات Cl₂ = n(e⁻) ÷ 2 ≈ 0.0187 mol.
4. الكتلة (MCl₂ = 70.9 g / mol):

m(Cl₂) = 0.0187 mol × 70.9 g / mol ≈ 1.33 g

النتيجة: Q = 3600 C، n(e⁻) ≈ 0.037 mol، كتلة Cl₂ ≈ 1.33 g.

مسألة 2

المعطى: في خلية (أ) (محلول CuSO₄) تم تمرير تيار I = 1.5 A لمدة t = 2400 s. ثابت فاراداي F = 9.65 × 10⁴ C / mol.

المطلوب: حساب كتلة النحاس المترسبة على الكاثود.

الحل:

1. Q = I × t = 1.5 A × 2400 s = 3600 C (نفس القيمة كما في المسألة السابقة).
2. عدد مولات الإلكترونات: n(e⁻) = Q ÷ F = 3600 C ÷ 9.65 × 10⁴ C / mol ≈ 0.0373 mol.
3. كل 2 e⁻ تُترسب 1 Cu (من معادلة الاختزال Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu). لذا عدد مولات Cu المترسبة = n(e⁻) ÷ 2 ≈ 0.0187 mol.
4. الكتلة المولية للنحاس M(Cu) = 63.55 g / mol.

m(Cu) = 0.0187 mol × 63.55 g / mol ≈ 1.19 g

النتيجة: تم ترسيب حوالي 1.19 g من النحاس على الكاثود.

---

تنبيهات الامتحان

1. عدم الخلط بين ثابت فاراداي (F) والكتلة المولية (M). F يعبّر عن الشحنة، بينما M يعبّر عن كتلة المول.
2. تذكر أن Q = I × t يُستَخدم دائمًا بالوحدات (C = A·s). لا تُدخل وحدات أخرى مثل الفولت أو الأوم في هذه المعادلة.
3. عند حساب عدد مولات الإلكترونات، يجب تقسيم Q على F وليس العكس.
4. في خلية متسلسلة، التيار (I) والكمية (Q) متساويان في جميع الخلايا؛ لا تُضاعف Q بين الخلايا.

---

قائمة المراجعة

• [ ] تعريف التحليل الكهربائي وتحديد الأقطاب (أنود/كاثود).
• [ ] كتابة معادلة Q = I × t وتطبيقها في مسائل عددية.
• [ ] معرفة قيمة ثابت فاراداي (9.65 × 10⁴ C / mol).
• [ ] حساب المكافئ الكهروكيميائي Z باستخدام Z = (الكتلة المولية) ÷ (n F).
• [ ] ربط كتلة المادة المترسبة بالمعادلة m = Z Q.
• [ ] كتابة معادلات الأكسدة والاختزال للخلية النحاسية (Cu) والخلية كلوريد الصوديوم (NaCl).
• [ ] فهم مفهوم الخلايا المتسلسلة وتساوي Q في كل خلية.
• [ ] توضيح خطوات التكرير الكهربي للنحاس وتحديد ما يحدث للمعادن الأقل تفاعلاً (أنود سلايم).
• [ ] حساب عدد مولات الإلكترونات من Q باستخدام F.
• [ ] تحويل عدد مولات الإلكترونات إلى كمية المادة المترسبة وفقاً للمعادلة المتوازنة.
• [ ] مراجعة الوحدات في جميع المعادلات (C, A, s, g, mol).
• [ ] التدريب على مسائل تطبيقية مشابهة للامتحان.

---

جميع المعادلات دفعة واحدة

Q = I × t
Q = F × n(e⁻)
m = Z × I × t          (أو m = Z Q)
Z = (الكتلة المولية) ÷ (n × F)

Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

Q_A = Q_B = Q

---

بالتوفيق في امتحاناتك!