الخلايا الإلكتروليتية وقوانين فاراداي

في الخلايا الإلكتروليتية، نستخدم مصدر طاقة يُنتِج تيارًا مستمرًّا، وهو ما يعني أن أحد القطبين يكون دائمًا موجبًا أو سالبًا. إذا كان مصدر الطاقة يُنتِج تيارًا متردِّدًا، فسيتغيَّر القطبان بين الحالة الموجبة أو السالبة عدة مرات في الثانية الواحدة (وهذا لا يساعدنا كثيرًا إذا أردنا تجميع نواتج التفكُّك من المصعد أو المهبط فقط).

التحليل الكهربي

بدلًا من الاستعانة بمصدر طاقة للتيار المستمر، يمكننا استخدام خلية أو بطارية.

بدلًا من الاستعانة بمصدر طاقة للتيار المستمر، يمكننا استخدام خلية أو بطارية.

التحليل الكهربي

داخل الخلية الإلكتروليتية، نحتاج إلى مصدر متجدِّد للأيونات عند كل قطب حتى يتسنَّى تكوين النواتج. وهذا لن يحدث إذا لم تتمكَّن الأيونات من الحركة.

الطريقة البديهية لإتاحة حركة الأيونات هي وضعها في سائل.

التحليل الكهربي

يُشار إلى المادة أو الخليط الذي يوصِّل الكهرباء، ويمكن أن يخضع للتحليل الكهربي، باسم الإلكتروليت.

عند تحلُّل ملح منصهر بسيط يتكوَّن من عنصرين فقط كهربيًّا، فإننا نتوقَّع أن تكون النواتج هي الصور العنصرية للأنيون والكاتيون:

عند تحلُّل ملح منصهر بسيط يتكوَّن من عنصرين فقط كهربيًّا، فإننا…

وقد تستمر تلك النواتج في التفاعل مع مواد أخرى حولها، لكننا سنتناول ذلك لاحقًا.

يوضِّح هذا الشكل حركة الكاتيونات نحو المهبط والأنيونات نحو المصعد.

يوضِّح هذا الشكل حركة الكاتيونات نحو المهبط والأنيونات نحو…

بمجرد وصول الكاتيونات إلى المهبط، يُمكن اختزالها؛ أي تكتسب إلكترونات.

يوضِّح هذا الشكل إضافة الإلكترونات إلى الكاتيونات عند المهبط (الاختزال) وإزالة الإلكترونات من الأنيونات عند المصعد (الأكسدة).

يوضِّح هذا الشكل إضافة الإلكترونات إلى الكاتيونات عند المهبط…

قد يتضمَّن التفاعل عند المهبط أكثر من إلكترون واحد. الكاتيونات الأكثر شيوعًا التي يتضمَّنها التحليل الكهربي كاتيونات فلزية؛ ومن ثَمَّ يكون الناتج عنصرًا فلزيًّا:

هذا هو التفاعل النصفي عند المهبط (الاختزال):

هذا هو التفاعل النصفي عند المهبط (الاختزال):

وهذا هو التفاعل النصفي عند المصعد (الأكسدة):

وهذا هو التفاعل النصفي عند المصعد (الأكسدة):

وهذا هو التفاعل النصفي عند المصعد (الأكسدة):

يمكن أن تتحد الذرات الناتجة عند المصعد والمهبط لتنتج بعد ذلك كُتلًا أو تجميعات من الفلز، أو جزيئات.

يوضِّح هذا الشكل دائرة كهربية كاملة لخلية إلكتروليتية.

يوضِّح هذا الشكل دائرة كهربية كاملة لخلية إلكتروليتية.

يُشير «المصعد» و«المهبط» إلى كلٍّ من القطب الذي تتدفَّق منه الإلكترونات (المصعد)، والقطب الذي تنتقل إليه (المهبط).

في الشكل الموضَّح، ما القطب الذي يقع على الجانب الأيمن؟

مثال ٣: تحديد المصعد أو المهبط بناءً على إعداد تجربة تتضمَّن…

المصعد؛ حيث يجذب أنيونًا

في الخلية الإلكتروليتية، يتسبَّب أي مصدر طاقة خارجي للتيار المستمر (مثل مصدر تيار مستمر أو بطارية أو خلية) في تفكُّك الإلكتروليت. يُرسَم الطرف الموجب للخلية الكهربية على صورة خط طويل، ويُرسَم الطرف السالب على صورة خط قصير.

في الخلية الإلكتروليتية، يتسبَّب أي مصدر طاقة خارجي للتيار…

في الشكل المُعطى في السؤال، يقع الطرف السالب لمصدر الطاقة على اليمين، والطرف الموجب على اليسار.

الإلكترونات لها خاصية تُسمَّى الشحنة. يحدث تجاذب أو تنافر بين الجسيم المشحون وجسيمات أخرى مشحونة، بناءً على كون الشحنات لها نفس الإشارة ( + / + أو − / − ) أو إشارات متعاكسة ( + / − ) على الترتيب.

(none)

إن شحنة الإلكترون تكون صغيرة للغاية من منظورنا. لا يتعامل الكيميائيون مع الشحنة بالطريقة نفسها التي يتعامل بها الفيزيائيون عادةً. إننا «نَعُدُّ» الشحنة كما في «شحنة البروتون» أو «شحنة الإلكترون». على سبيل المثال، الشحنة 1 + هي «الشحنة التي يحملها بروتون واحد»، والشحنة 2 − هي «الشحنة التي يحملها إلكترونان». وبالطبع، الإلكترونات والبروتونات لها شحنات متساوية ومتعاكسة، إذن يمكنك تعريف هذه الشحنات بعدة طرق.

أحد الإشكالات في تعريف التيار هو أنه يُعرَّف على أنه تدفُّق شحنة موجبة عبر الدائرة الكهربية، في حين أن الإلكترونات لها شحنة سالبة. لكن في الدائرة الكهربية، يمكن التعامل مع شحنة سالبة تتحرَّك في اتجاه واحد باعتبارها شحنة موجبة تتحرَّك في الاتجاه المعاكس. وهذا موضَّح في الشكل الآتي.

الأمبير، A

عند تدفُّق الإلكترونات في دائرة كهربية، لا يمكن أن يكون ذلك فقط لمدة ثانية واحدة؛ لذا، لدينا علاقة أخرى سنعرفها بين شدة التيار والزمن والشحنة الكلية للإلكترونات التي تمر بنقطة معيَّنة.

في الشكل الآتي، يمكننا أن نرى العلاقة بين ثابت فاراداي والكميات التي ناقشناها. ينص قانون فاراداي الثاني للتحليل الكهربي على أننا يجب أن نعي عدد الإلكترونات الموجودة في تفاعل الأكسدة أو الاختزال. ومن ثَمَّ، نصبح قادرين على إيجاد كميات مألوفة أكثر، مثل طول الفترة الزمنية اللازمة لإجراء تفاعل معيَّن.

الوزن المكافئ (الجرام المكافئ)

طريقة حساب الزمن اللازم لنقل الإلكترونات اللازمة لتفاعل اختزال معطى