التحولات القسرية والتحليل الكهربائي

1) مقدّمة: التحولات القسرية والتحليل الكهربائي

في الدرس السابق «التحولات التلقائية في الأعمدة» رأينا أن التفاعل الكيميائي داخل العمود الغلفاني يتمّ تلقائياً ويحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.

في هذا الدرس سنهتمّ بالحالة المعاكسة: عندما نفرض على مجموعة كيميائية أن تقوم بتحول غير تلقائي باستعمال مولد كهربائي خارجي. هذا ما يسمّى: التحليل الكهربائي.

هدف الدرس في برنامج 2 باك فيزياء–كيمياء

التمييز بين التحول التلقائي والتحول القسري.
تعريف خلية التحليل الكهربائي وتركيبها العام.
كتابة معادلات التفاعلات عند الأقطاب (أنود/كاثود).
استغلال قانون فاراداي للعلاقات الكمية: \(\displaystyle n = \dfrac{I\,t}{z\,F}\).
دراسة تطبيقات صناعية: الطلاء الكهربائي، تنقية المعادن، التحليل الكهربائي للمحاليل المائية أو الأملاح المنصهرة.

في الامتحان الوطني، تمارين هذا الدرس غالباً عددية: يعطيك شدة التيار، المدة، نوع الأيونات، وتُطلب منك كتلة المعدن المترسّب أو كمية المادة المتحوّلة، مع أسئلة نوعية حول اتجاه التفاعل عند كل قطب.

2) التحول التلقائي مقابل التحول القسري

1) التحول التلقائي

التحول التلقائي هو تحول كيميائي يحدث من تلقاء نفسه عندما تكون المجموعة الكيميائية في شروط معيّنة (مثل التفاعل داخل العمود الغلفاني). لا يحتاج إلى طاقة خارجية لتحفيزه، بل قد يُحرّر طاقة (حرارية أو كهربائية).

2) التحول القسري

التحول القسري هو تحول لا يحدث تلقائياً في الاتجاه المرغوب، لكن يمكن فرضه باستعمال مولد خارجي يقدّم طاقة كهربائية للمجموعة، كما في حالة:

شحن بطارية قابلة للشحن.
التحليل الكهربائي لمحلول أو ملح منصهر.

في هذه الحالة، المولد الخارجي يفرض مرور تيار يجعل التفاعل يسير ضد الاتجاه التلقائي.

3) خلاصة المقارنة

العمود الغلفاني	خلية التحليل الكهربائي
تحول كيميائي تلقائي يعطي طاقة كهربائية.	تحول كيميائي قسري يستهلك طاقة كهربائية.
يعمل كمولّد (مصدر توتر \(\,E\)).	يعمل كـ«مستقبل» للطاقة من مولّد خارجي.
الأكسدة في المصعد، الاختزال في المهبط.	أيضاً: الأكسدة في المصعد، الاختزال في المهبط (تعريف كهربائي ثابت).

3) خلية التحليل الكهربائي: التعريف والتركيب العام

1) تعريف التحليل الكهربائي

التحليل الكهربائي هو تحول كيميائي قسري يحدث في محلول أو ملح منصهر عندما يمر فيه تيار كهربائي مستمر بين قطبين موصولين بمولد خارجي. ينتج عن هذا التحول غالباً:

ترسّب مادة على أحد القطبين (مثلاً معدن).
تحرّر غاز عند أحد الأقطاب أو كليهما.

2) مكوّنات خلية التحليل الكهربائي

الكهريوليت (الإلكتروليت): محلول أيوني أو ملح منصهر يحتوي على الأيونات التي ستشارك في التحول.
القطبان: يمكن أن يكونا خامليْن (مثل الكربون أو البلاتين) أو نشيطين (مثل قطب نحاسي يذوب).
مولد كهربائي مستمر: يفرض مرور تيار ذو شدة \(\,I\) وتوتر كافٍ لبدء التفاعل والحفاظ عليه.

مخطط نوعي لخلية تحليل كهربائي بمولّد مستمر.

3) تعيين الأنود والكاثود في التحليل الكهربائي

المصعد (الأنود): القطب المتصل غالباً بالقطب الموجب للمولد، حيث تتم الأكسدة (فقدان إلكترونات).
المهبط (الكاثود): القطب المتصل بالقطب السالب للمولد، حيث تتم الاختزال (اكتساب إلكترونات).
الإلكترونات تأتي من المولد وتدخل الخلية من جهة المهبط (حيث تُكتسب)، ثم تغادر من جهة المصعد.

4) مثال أساسي: التحليل الكهربائي لمحلول \(\mathrm{CuSO_4}\) بأقطاب خاملة

1) معطيات التجربة

نضع محلولاً مائياً من كبريتات النحاس \(\mathrm{CuSO_4}\) بين قطبين خامليْن (كربون مثلاً)، ونوصل القطب المتّصل بالطرف السالب للمولد بالمهبط، والقطب الآخر بالمصعد. تمرّ شدة تيار ثابتة \(\mathrm{I}\) خلال مدة \(\,t\).

2) الأيونات الموجودة في المحلول

\(\mathrm{Cu^{2+}}\) و\(\mathrm{SO_4^{2-}}\) من انحلال ملح \(\mathrm{CuSO_4}\).
\(\mathrm{H_2O}\) (يمكن أن يتفكك إلى \(\mathrm{H^+}\) و\(\mathrm{OH^-}\)).

3) ما يحدث عند المهبط (الكاثود)

عند المهبط، تتم الاختزال. الأيون الذي يميل إلى الاختزال هو \(\mathrm{Cu^{2+}}\) لأنه مؤكسد أقوى من \(\mathrm{H^+}\) في هذه الحالة. إذن: \[ \mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \longrightarrow Cu(s)} \] يتكوّن نحاس فلزي يترسّب على المهبط.

4) ما يحدث عند المصعد (الأنود)

عند القطب الخامل المتصل بالقطب الموجب للمولد، تتم أكسدة بعض الأنواع. ليس للأيون \(\mathrm{SO_4^{2-}}\) قابلية كبيرة للأكسدة، لذلك تتأكسد جزيئات الماء: \[ \mathrm{2H_2O \longrightarrow O_2(g) + 4H^+ + 4e^-} \] إذن يتحرّر غاز \(\mathrm{O_2}\) عند المصعد.

5) التفاعل الكلي

بموازنة الإلكترونات، نحصل تقريبياً على التفاعل الكلي للتحليل الكهربائي:

\[ \mathrm{2Cu^{2+} + 2H_2O \longrightarrow 2Cu(s) + O_2(g) + 4H^+} \]

في هذه الحالة، كمية النحاس المترسّب على المهبط تتناسب مع الشحنة الكهربائية التي مرّت خلال المحلول حسب قانون فاراداي، كما سنرى لاحقاً.

5) مثال آخر: التحليل الكهربائي لمحلول \(\mathrm{CuSO_4}\) بأقطاب نحاسية

1) معطيات التجربة

نستعمل نفس محلول \(\mathrm{CuSO_4}\) لكن هذه المرة نأخذ قطبين نحاسيين بدلاً من أقطاب خاملة. يوصَل أحدهما بالطرف الموجب للمولد (مصعد)، والآخر بالطرف السالب (مهبط).

2) ما يحدث عند المهبط (الكاثود)

عند المهبط، يحدث اختزال كما في الحالة السابقة: \[ \mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \longrightarrow Cu(s)} \] فيترسّب النحاس على القطب، فيزداد كتلته.

3) ما يحدث عند المصعد (الأنود)

هذه المرة القطب نفسه مكوّن من النحاس، لذلك يمكن أن يتأكسد مباشرة: \[ \mathrm{Cu(s) \longrightarrow Cu^{2+} + 2e^-} \] فيذوب القطب تدريجياً في المحلول (تنقص كتلته).

4) التفاعل الكلي واستغلاله الصناعي

بإضافة نصفي التفاعل نجد أن التفاعل الكلي داخل المحلول هو تقريباً «نقل» للنحاس من المصعد إلى المهبط، بينما يبقى تركيز \(\mathrm{Cu^{2+}}\) ثابتاً تقريباً:

\[ \mathrm{Cu(s)_{\text{أنود}} \longrightarrow Cu(s)_{\text{كاثود}}} \]

هذه الظاهرة تستغل في تنقية النحاس: يوضع نحاس غير نقي في المصعد فيذوب، ويتكوّن نحاس نقي على المهبط.

6) أمثلة أخرى: تحليل كهربائي للماء ولمحلول \(\mathrm{NaCl}\)

1) تحليل كهربائي للماء المحتوي على حمض ضعيف

الماء النقي موصل ضعيف جداً، لذلك نضيف حمضاً قليلاً (مثل \(\mathrm{H_2SO_4}\)) لزيادة عدد الأيونات. عند تمرير تيار:

عند المهبط: اختزال \(\mathrm{H^+}\) إلى غاز الهيدروجين: \[ \mathrm{2H^+ + 2e^- \longrightarrow H_2(g)} \]
عند المصعد: أكسدة الماء إلى غاز الأكسجين: \[ \mathrm{2H_2O \longrightarrow O_2(g) + 4H^+ + 4e^-} \]

التفاعل الكلي يعطي تحلل الماء إلى \(\mathrm{H_2}\) و\(\mathrm{O_2}\).

2) تحليل كهربائي لمحلول كلورور الصوديوم \(\mathrm{NaCl}\)

في محلول مائي لملح \(\mathrm{NaCl}\)، توجد الأيونات: \(\mathrm{Na^+}\)، \(\mathrm{Cl^-}\)، إضافة إلى \(\mathrm{H^+}\) و\(\mathrm{OH^-}\) من تفكك الماء.

عند المهبط: يتنافس \(\mathrm{Na^+}\) و\(\mathrm{H^+}\) على الاختزال؛ في الظروف العادية يُختزل \(\mathrm{H^+}\) أولاً: \[ \mathrm{2H^+ + 2e^- \longrightarrow H_2(g)} \]
عند المصعد: الأيون \(\mathrm{Cl^-}\) قابل للأكسدة: \[ \mathrm{2Cl^- \longrightarrow Cl_2(g) + 2e^-} \]

يتكوّن غاز الهيدروجين عند المهبط وغاز الكلور عند المصعد، مع بقاء \(\mathrm{Na^+}\) و\(\mathrm{OH^-}\) في المحلول (تشكّل محلولاً قاعدياً من \(\mathrm{NaOH}\)).

7) قانون فاراداي للتحليل الكهربائي (العلاقات الكمية)

1) الشحنة الكهربائية المارة في الخلية

إذا مرّ في خلية التحليل الكهربائي تيار شدته \(\,I\) خلال مدة \(\,t\)، فإن الشحنة الكهربائية المارة هي: \[ Q = I \times t \] بوحدة الكولوم \((\mathrm{C})\).

2) ثابت فاراداي

يربط ثابت فاراداي بين كمية المادة من الإلكترونات والشحنة: \[ F = N_A \times e \approx 9{,}65\times 10^{4}\,\mathrm{C\cdot mol^{-1}} \]

3) العلاقة بين كمية المادة المتحوّلة والشحنة (قانون فاراداي)

إذا كان التفاعل عند القطب يتضمن تبادل \(z\) إلكترونات لكل جزيء أو أيون، فإن كمية المادة \(\,n\) للنوع المتحوّل مرتبطة بالشحنة \(\,Q\) بالعلاقة: \[ n = \dfrac{Q}{z\,F} = \dfrac{I\,t}{z\,F} \]

للأجسام الصلبة (مثلاً معدن يترسّب)، يمكن ربط الكتلة \(m\) بكمية المادة: \[ m = n\,M = \dfrac{I\,t\,M}{z\,F} \] حيث \(M\) الكتلة المولية \((\mathrm{g\cdot mol^{-1}})\).

في تمارين الباك، غالباً يُعطى لك \(I\)، \(t\)، نوع الأيون (لتحديد \(z\)) وقيمة \(F\)؛ ثم تُطلب منك كمية المادة أو الكتلة المترسّبة على القطب.

8) تطبيقات صناعية للتحليل الكهربائي

1) الطلاء الكهربائي (Electroplating)

نريد تغليف قطعة معدنية بطبقة رقيقة من معدن آخر (مثل النيكل أو الكروم) لحمايتها من الصدأ أو لأغراض جمالية:

تكون القطعة المراد طلاؤها هي المهبط.
يكون المصعد من المعدن الذي نريد ترسيبه، أو يكون خمولاً مع وجود أيونات هذا المعدن في المحلول.
عند مرور التيار، تترسّب أيونات المعدن على سطح القطعة.

2) تنقية المعادن (مثال النحاس)

كما رأينا، في محلول \(\mathrm{CuSO_4}\) بأقطاب نحاسية: يذوب النحاس غير النقي في المصعد ويتكوّن نحاس نقي على المهبط. الشوائب غير القابلة للأكسدة تترسب كـ«طين أنودي».

3) صناعة الألومنيوم والتحليل الكهربائي للأملاح المنصهرة

الألومنيوم يستخرج من خام البوكسيت عبر مراحل، من بينها التحليل الكهربائي لمزيج منصهر يحتوي على \(\mathrm{Al_2O_3}\). هذه العملية تحتاج إلى تيار كبير جداً وتستهلك طاقة كهربائية ضخمة.

رغم أهميّة التحليل الكهربائي في الصناعة، إلا أنه مكلِّف طاقياً لأنه يعتمد على تحولات قسرية تستهلك الطاقة الكهربائية بكميات كبيرة، لذلك يُبحث دائماً عن طرق لتحسين المردود وتقليل الضياعات.

9) تمارين تطبيقية (10) مع حلول مفصّلة

تمرين 1 — تمييز التحول التلقائي والقسري

من بين الحالات التالية، حدّد أيها يمثل تحولاً تلقائياً وأيها يمثل تحولاً قسرياً:

(أ) اشتغال عمود \(\mathrm{Zn/Cu}\) مركّب على مصباح.
(ب) شحن بطارية هاتف موصولة بالشاحن.
(ج) تحليل كهربائي لمحلول \(\mathrm{NaCl}\) للحصول على غاز \(\mathrm{Cl_2}\).
(د) تآكل قطعة حديد في الهواء الرطب.

التحول التلقائي هو الذي يحدث من تلقاء نفسه دون تدخل مولد خارجي، بينما التحول القسري يحتاج إلى طاقة خارجية.

(أ) اشتغال العمود \(\mathrm{Zn/Cu}\): تحول تلقائي (عمود غلفاني يعطي طاقة كهربائية).
(ب) شحن البطارية: تحول قسري مفروض من مولد (يجب تطبيق توتر خارجي لعكس التفاعل).
(ج) التحليل الكهربائي لمحلول \(\mathrm{NaCl}\): تحول قسري (يحتاج إلى مولد كهربائي).
(د) تآكل الحديد في الهواء: تحول تلقائي (أكسدة الحديد بواسطة \(\mathrm{O_2}\) والرطوبة).

تمرين 2 — اتجاه الإلكترونات في خلية تحليل كهربائي

في خلية تحليل كهربائي لمحلول \(\mathrm{CuSO_4}\) بأقطاب كربونية، يكون القطب الأيسر متصلاً بالقطب الموجب للمولد، والقطب الأيمن بالقطب السالب.

1) عيّن أي القطبين هو المصعد وأيهما المهبط.
2) حدّد اتجاه سير الإلكترونات في السلك الخارجي.
3) ماذا يحدث عند كل قطب (نوع التفاعل والأنواع المتحوّلة)؟

1) في خلية تحليل كهربائي، يُعرّف:

المصعد: القطب المتصل بالطرف الموجب للمولد.
المهبط: القطب المتصل بالطرف السالب للمولد.

إذن القطب الأيسر هو مصعد، والقطب الأيمن هو مهبط.

2) الإلكترونات تخرج من المولد من طرفه السالب وتدخل المهبط، ثم تغادر الخلية عبر المصعد لتعود إلى المولد من طرفه الموجب. أي أن اتجاه الإلكترونات في السلك الخارجي هو: من المولد (طرف سالب) نحو المهبط، ومن المصعد نحو المولد (طرف موجب).

3) في محلول \(\mathrm{CuSO_4}\) بأقطاب خاملة:

عند المهبط (الكاثود): اختزال أيونات النحاس \(\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \to Cu(s)}\) (ترسّب النحاس).
عند المصعد (الأنود): أكسدة الماء \(\mathrm{2H_2O \to O_2(g) + 4H^+ + 4e^-}\) (انطلاق غاز الأكسجين).

تمرين 3 — حساب كمية المادة المترسّبة باستعمال قانون فاراداي

في خلية تحليل كهربائي لمحلول \(\mathrm{CuSO_4}\) بأقطاب كربونية، نمرّر تياراً شدته \(\mathrm{I = 0{,}50\,A}\) خلال مدة \(\mathrm{t = 40\,min}\).

علماً أن التفاعل عند المهبط هو: \[ \mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \longrightarrow Cu(s)} \] و\(F = 9{,}65\times 10^{4}\,\mathrm{C\cdot mol^{-1}}\).

1) احسب الشحنة \(Q\) التي مرّت في الخلية.
2) استنتج كمية المادة \(n(\mathrm{Cu})\) للنحاس المترسّب.
3) احسب كتلة النحاس المترسّب (الكتلة المولية للنحاس \(M(\mathrm{Cu}) = 63{,}5\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}\)).

1) المدة بالثواني: \[ t = 40\,\mathrm{min} = 40\times 60 = 2400\,\mathrm{s}. \] الشحنة: \[ Q = I t = 0{,}50 \times 2400 = 1200\,\mathrm{C}. \]

2) من قانون فاراداي: \[ n = \dfrac{Q}{zF}. \] هنا \(z = 2\) (لأن \(\mathrm{Cu^{2+}}\) يتطلب إلكترونين). إذن: \[ n(\mathrm{Cu}) = \dfrac{1200}{2\times 9{,}65\times 10^{4}} \approx \dfrac{1200}{1{,}93\times 10^{5}} \approx 6{,}2\times 10^{-3}\,\mathrm{mol}. \]

3) الكتلة: \[ m = nM \approx 6{,}2\times 10^{-3}\times 63{,}5 \approx 0{,}39\,\mathrm{g}. \]

تمرين 4 — حساب المدة اللازمة لترسيب كتلة معلومة

نريد ترسيب كتلة مقدارها \(\mathrm{m = 1{,}0\,g}\) من النحاس على قطعة معدنية باستعمال محلول \(\mathrm{CuSO_4}\) والتيار \(\mathrm{I = 0{,}80\,A}\).

1) احسب كمية المادة \(n(\mathrm{Cu})\) الموافقة لهذه الكتلة.
2) باستعمال قانون فاراداي، احسب المدة \(t\) اللازمة لهذا الترسيب (أعطِ النتيجة بالدقائق).

المعطيات: \(M(\mathrm{Cu}) = 63{,}5\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}\), \(F = 9{,}65\times 10^{4}\,\mathrm{C\cdot mol^{-1}}\), والتفاعل عند المهبط هو نفسه كما في التمرين السابق.

1) كمية المادة: \[ n(\mathrm{Cu}) = \dfrac{m}{M} = \dfrac{1{,}0}{63{,}5} \approx 1{,}57\times 10^{-2}\,\mathrm{mol}. \]

2) من قانون فاراداي: \[ n = \dfrac{I t}{zF} \Rightarrow t = \dfrac{n z F}{I}. \] مع \(z = 2\)، نحصل على: \[ t = \dfrac{1{,}57\times 10^{-2}\times 2\times 9{,}65\times 10^{4}} {0{,}80} \approx \dfrac{3{,}03\times 10^{3}}{0{,}80} \approx 3{,}79\times 10^{3}\,\mathrm{s}. \]

لتحويلها إلى دقائق: \[ t \approx \dfrac{3{,}79\times 10^{3}}{60} \approx 63\,\mathrm{min}. \] إذن نحتاج تقريباً إلى ساعة و3 دقائق.

تمرين 5 — خلية تحليل كهربائي للماء

في تجربة تحليل كهربائي للماء الحمضي، مرّرنا تياراً شدته \(\mathrm{I = 0{,}25\,A}\) خلال مدة \(\mathrm{t = 1{,}5\,h}\).

1) احسب الشحنة \(Q\) المارة في الخلية.
2) اعتبر أن كل الشحنة تستعمل لاختزال \(\mathrm{H^+}\) إلى \(\mathrm{H_2}\) عند المهبط: \[ \mathrm{2H^+ + 2e^- \longrightarrow H_2(g)} \] استنتج كمية المادة من غاز \(\mathrm{H_2}\) المتكوّن.
3) ما حجم غاز \(\mathrm{H_2}\) المحصل عليه في الشروط العادية، علماً أن الحجم المولي للغاز \(V_m = 22{,}4\,\mathrm{L\cdot mol^{-1}}\)؟

1) المدة بالثواني: \[ t = 1{,}5\,\mathrm{h} = 1{,}5\times 3600 = 5400\,\mathrm{s}. \] الشحنة: \[ Q = I t = 0{,}25\times 5400 = 1350\,\mathrm{C}. \]

2) للتفاعل \(\mathrm{2H^+ + 2e^- \to H_2}\)، كل مول من \(\mathrm{H_2}\) يحتاج إلى \(2\) مول من الإلكترونات، أي \(z = 2\). إذن: \[ n(\mathrm{H_2}) = \dfrac{Q}{zF} = \dfrac{1350}{2\times 9{,}65\times 10^{4}} \approx 7{,}0\times 10^{-3}\,\mathrm{mol}. \]

3) الحجم في الشروط العادية: \[ V = n V_m \approx 7{,}0\times 10^{-3}\times 22{,}4 \approx 0{,}16\,\mathrm{L} = 160\,\mathrm{mL}. \]

تمرين 6 — مقارنة بين خلية غلفانية وخلية تحليل كهربائي

لدينا منظومتان:

النظام (أ): عمود \(\mathrm{Zn/Cu}\) مركّب على مقاومة.
النظام (ب): خلية تحليل كهربائي لمحلول \(\mathrm{CuSO_4}\) متصلة بمولد مستمر.

1) في أي النظامين يكون التحول تلقائياً؟ ولماذا؟
2) في أيهما يُستهلك فيه المولد طاقة كهربائية، وفي أيهما يقدّم العمود طاقة؟
3) في كل حالة، هل التفاعل الكيميائي يسير في نفس اتجاهه الطبيعي أم في الاتجاه المعاكس؟

1) في النظام (أ)، العمود الغلفاني يعمل لوحده دون مولد خارجي، فيحصل تحول تلقائي يعطي طاقة كهربائية. في النظام (ب)، نحتاج إلى مولد لفرض التحول، لذلك هو تحول قسري غير تلقائي.

2) في النظام (أ)، العمود هو مصدر الطاقة: يحوّل طاقة كيميائية إلى طاقة كهربائية تُستهلك في المقاومة. في النظام (ب)، المولد هو الذي يقدّم طاقة كهربائية تُستهلك في الخلية لفرض التحول.

3) في العمود الغلفاني، التفاعل يسير في اتجاهه الطبيعي (الاتجاه المنخفض للطاقة الحرة)؛ في التحليل الكهربائي، المولد يفرض على التفاعل أن يسير في الاتجاه المعاكس (تحويل النواتج إلى متفاعلات أو توليد أنواع لا تتكوّن تلقائياً).

تمرين 7 — تحديد التفاعلات عند الأقطاب في محلول \(\mathrm{NaCl}\)

نحلّل كهربائياً محلولاً مائياً لملح \(\mathrm{NaCl}\) بأقطاب خاملة. الأيونات الموجودة في المحلول هي: \(\mathrm{Na^+}\)، \(\mathrm{Cl^-}\)، \(\mathrm{H^+}\)، \(\mathrm{OH^-}\).

1) اقترح نصف التفاعل الممكن عند المهبط (اختزال) ثم حدّد الغاز المتكوّن.
2) اقترح نصف التفاعل الممكن عند المصعد (أكسدة) ثم حدّد الغاز المتكوّن.
3) اكتب التفاعل الكلي للتحليل الكهربائي في هذه الحالة.

1) عند المهبط، يمكن لايون \(\mathrm{Na^+}\) أو \(\mathrm{H^+}\) أن يختزل. عملياً، اختزال \(\mathrm{H^+}\) أسهل في الوسط المائي، لذا يحدث التفاعل: \[ \mathrm{2H^+ + 2e^- \longrightarrow H_2(g)}. \] الغاز المتكون عند المهبط هو غاز الهيدروجين \(\mathrm{H_2}\).

2) عند المصعد، يمكن لأيون \(\mathrm{Cl^-}\) أو \(\mathrm{OH^-}\) أن يتأكسد. في محلول مركز من \(\mathrm{NaCl}\)، الأرجح أن يتأكسد \(\mathrm{Cl^-}\): \[ \mathrm{2Cl^- \longrightarrow Cl_2(g) + 2e^-}. \] الغاز المتكوّن عند المصعد هو غاز الكلور \(\mathrm{Cl_2}\).

3) التفاعل الكلي يُستنتج بجمع نصفي التفاعل (مع مراعاة توازن الشحنة والمادة). بصفة مبسطة: \[ \mathrm{2NaCl + 2H_2O \longrightarrow H_2(g) + Cl_2(g) + 2NaOH_{(aq)}}. \]

تمرين 8 — مردود عملية طلاء كهربائي

في عملية طلاء كهربائي بالفضة، نمرّر تياراً شدته \(\mathrm{I = 0{,}30\,A}\) خلال مدة \(\mathrm{t = 1{,}0\,h}\).

التفاعل عند المهبط: \[ \mathrm{Ag^+ + e^- \longrightarrow Ag(s)}. \] بعد التجربة، نجد أن كتلة الفضة المترسّبة فعلياً هي \(\mathrm{m_{\text{exp}} = 3{,}0\,g}\).

1) احسب الكتلة النظرية \(\mathrm{m_{\text{th}}}\) للفضة التي كان يجب أن تترسّب إذا كان المردود 100٪.
2) استنتج مردود العملية: \(\displaystyle r = \dfrac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{th}}}\times 100\,\%\).

المعطيات: \(M(\mathrm{Ag}) = 108\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}\), \(F = 9{,}65\times 10^{4}\,\mathrm{C\cdot mol^{-1}}\).

1) أولاً نحسب الشحنة: \[ t = 1{,}0\,\mathrm{h} = 3600\,\mathrm{s}, \quad Q = I t = 0{,}30\times 3600 = 1080\,\mathrm{C}. \]

للتفاعل \(\mathrm{Ag^+ + e^- \to Ag}\)، لدينا \(z = 1\). كمية المادة النظرية: \[ n_{\text{th}}(\mathrm{Ag}) = \dfrac{Q}{zF} = \dfrac{1080}{9{,}65\times 10^{4}} \approx 1{,}12\times 10^{-2}\,\mathrm{mol}. \]

الكتلة النظرية: \[ m_{\text{th}} = n_{\text{th}} M \approx 1{,}12\times 10^{-2}\times 108 \approx 1{,}21\,\mathrm{g}. \]

2) المردود: \[ r = \dfrac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{th}}}\times 100 = \dfrac{3{,}0}{1{,}21}\times 100 \approx 248\,\%. \]

هذه النتيجة غير منطقية (أكبر من 100٪)، ما يدلّ على أن المعطيات أو الفرضيات غير واقعية في هذا المثال، أو أن هناك خطأ في قياس التيار أو الزمن. في الواقع يجب أن يكون المردود أقل من 100٪ بسبب الضياعات والتفاعلات الجانبية.

(يمكن في تمرين حقيقي أن تُعطى معطيات تؤدي إلى مردود أقل من 100٪، هنا الهدف هو إظهار طريقة الحساب).

تمرين 9 — تحديد نوع القطب (نشط أم خامل)

في خلية تحليل كهربائي لمحلول \(\mathrm{CuSO_4}\)، لاحظنا أن كتلة أحد القطبين تنقص بينما كتلة القطب الآخر تزداد. في تجربة أخرى، باستعمال نفس المحلول لكن بأقطاب كربونية، بقيت كتل الأقطاب ثابتة تقريباً (مع تكوّن غاز عند أحد الأقطاب).

1) في أي تجربة استُعملت أقطاب نشيطة؟ وفي أي تجربة استُعملت أقطاب خاملة؟ علّل جوابك.
2) في حالة الأقطاب النشيطة، ما نوع التفاعل عند القطب الذي تنقص كتلته؟ وما دوره (مصعد أم مهبط)؟

1) في التجربة الأولى، إحدى الكتل تنقص والأخرى تزداد: هذا يعني أن المادة المكوِّنة للقطب نفسها تشارك في التفاعل (ذوبان وترسّب)، وبالتالي الأقطاب نشيطة (من النحاس مثلاً). في التجربة الثانية، كتل الأقطاب ثابتة تقريباً مع تكوّن غاز: الأقطاب لا تشارك في التفاعل، فهي أقطاب خامِلة.

2) القطب الذي تنقص كتلته يتعرّض للأكسدة (ذوبان معدن إلى أيونات)، وهو بذلك يلعب دور المصعد (الأنود) في خلية التحليل الكهربائي.

تمرين 10 — سؤال مقالي: التحولات القسرية والتحليل الكهربائي

اكتب فقرة منظمة (6–8 أسطر) تشرح فيها: مفهوم التحول القسري في خلية التحليل الكهربائي، وكيف يسمح التحليل الكهربائي بالحصول على أنواع جديدة (غازات، معادن نقية)، مع الإشارة إلى قانون فاراداي واستغلاله في حساب الكميات.

التحول القسري هو تحول كيميائي لا يحدث تلقائياً، لكن يمكن فرضه باستعمال مولد كهربائي يقدّم طاقة للمنظومة. في خلية التحليل الكهربائي، نضع محلولاً أيونياً أو ملحاً منصهراً بين قطبين موصولين بمولد مستمر، فيجبر التيار الكهربائي الأيونات على الخضوع لتفاعلات أكسدة واختزال عند الأقطاب. بذلك يمكن الحصول على غازات (مثل \(\mathrm{H_2}\)، \(\mathrm{O_2}\)، \(\mathrm{Cl_2}\)) أو ترسيب معادن نقية على المهبط (مثل النحاس أو الفضة).

يربط قانون فاراداي بين الشحنة الكهربائية المارة في الخلية وبين كمية المادة المتحوّلة: \(\displaystyle n = \dfrac{I t}{zF}\). هذا يسمح بحساب كتلة المعدن المترسّب أو حجم الغاز المتكوّن بدقة انطلاقاً من شدة التيار والمدة. لذلك يعدّ التحليل الكهربائي أداة مهمة في الصناعة (الطلاء، التنقية، إنتاج الغازات)، رغم كلفته الطاقية المرتفعة لأنه يعتمد على تحولات غير تلقائية.

10) خلاصة مركّزة للباك — التحولات القسرية والتحليل الكهربائي

التحليل الكهربائي مثال واضح على تحول قسري: مولد خارجي يفرض على تفاعل أكسدة–اختزال أن يسير في اتجاه غير تلقائي، فيُستهلك جزء من الطاقة الكهربائية المخزنة في المولد.
في خلية التحليل الكهربائي، الأكسدة تتم دائماً في المصعد (الأنود) المتصل بالقطب الموجب للمولد، والاختزال في المهبط (الكاثود) المتصل بالقطب السالب.
أمثلة مهمة في البرنامج: تحليل كهربائي لمحلول \(\mathrm{CuSO_4}\) بأقطاب خاملة أو نحاسية، تحليل الماء، تحليل محلول \(\mathrm{NaCl}\)، وغيرها من التطبيقات.
قانون فاراداي يعطي العلاقة الأساسية: \(\displaystyle n = \dfrac{I t}{zF}\) و \(\displaystyle m = \dfrac{I t M}{zF}\)، ما يسمح بحساب كمية المادة أو الكتلة المترسّبة انطلاقاً من شدة التيار والمدة.
يستغل التحليل الكهربائي في الصناعة للطلاء الكهربائي، تنقية المعادن، إنتاج الغازات الصناعية، واستخراج بعض المعادن من أملاحها المنصهرة، لكنه يحتاج إلى طاقة كهربائية كبيرة، لذا يُبحث عن تحسين المردود والاقتصاد في الطاقة.