الباب الرابع: الكيمياء الكهربية
تطبيقات التحليل الكهربي
Electro apps — OCR + plate-bay + SVG.
اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً
Electro apps — OCR + plate-bay + SVG.
- ✓يشرح الطلاء بالكهرباء Electroplating
- ✓يفسر استخلاص الألومنيوم من البوكسيت
- ✓يوضح تنقية النحاس كهربياً 99.95%
- ✓يميز الأنود والكاثود في كل تطبيق
كيف تُطلَى ملعقة نحاس بطبقة فضة؟ من أنود ومن كاثود؟
من بوكسيت Al₂O₃ في مصهور cryolite Na₃AlF₆ + CaF₂ → انصهار 2045°C → 950°C. كثافة المصهر منخفضة → Al يرسب في القاع.
O₂ يتفاعل مع أقطاب الكربون → CO + CO₂ — تُغيّر الأقطاب باستمرار. يُسحب Al من فتحة خاصة.
Cu 99% به شوائب Fe, Zn, Ag, Au — يقلل التوصيل. الأنود: Cu غير نقي · الكاثود: Cu نقي · إلكتروليت: CuSO₄
نقاوة النحاس الناتج ≈ 99.95% + فصل Ag/Au
في الطلاء: القطعة أنود
القطعة كاثود (−) — الفلز يترسب عليها
لكي نحافظ على التفاعل الإلكتروليتي، يجب أن تكون لدينا دائرة كهربية كاملة؛ بمعنى آخر، يجب أن نكون قادرين على الحصول على الطاقة بشكل مستمر من البطارية أو من مصدر الطاقة. ولفعل ذلك، يجب أن تكون الأيونات لدينا قادرة على الحركة.
في الخلايا الإلكتروليتية، يُستخدم مصدر طاقة تيار مستمر، وهو ما يعني أن الأقطاب إما تكون موجبة أو سالبة دائمًا.
يوضِّح الشكل التالي حركة الكاتيونات باتجاه المهبط وحركة الأنيونات باتجاه المصعد.
بمجرد وصول الكاتيونات إلى المهبط، من الممكن أن تُختزل عن طريق اكتساب الإلكترونات.
هناك العديد من طرق استخلاص النحاس من خاماته، ولكننا سنركز على مرحلة التنقية النهائية. تبدأ مرحلة التنقية هذه بعد استخراج خام النحاس من الأرض وتحويله إلى ألواح نحاس غير نقية ومحلول كبريتات النحاس الثنائي:
ألواح النحاس غير النقي الناتج عن هذه العملية ليست نقية بما يكفي لاستخدامها في الإلكترونيات والأجهزة المهمة الأخرى. ويمكن الحصول على ألواح نحاس لها درجة نقاء أكبر عن طريق التحليل الكهربي.
توضع ألواح النحاس غير النقي في وعاء يحتوي على محلول كبريتات النحاس الثنائي وموصل بالطرف الموجب لمصدر طاقة خارجي. ويُوصل الطرف السالب لمصدر الطاقة بلوح نحاس نقي موجود في نفس الوعاء الذي يحتوي على كبريتات النحاس. نحن لن نتناول الطريقة التي صنع بها لوح النحاس النقي هذا.
الفكرة الرئيسية هي أن مصدر الطاقة يدفع تفاعلين كيميائيين، أحدهما عند المصعد والآخر عند المهبط. ونتيجة لهذين التفاعلين معًا تنتقل ذرات النحاس من المصعد إلى المهبط وتطليه. بعد ذلك، تترسب الشوائب في قاع الوعاء.
يمكننا أن نتناول ذلك بمزيد من التفصيل. في هذه العملية، يكون المصعد نشطًا وليس خاملًا. ويتعرض النحاس الصلب في مصعد النحاس غير النقي إلى التأكسد كما هو موضح فيما يلي:
تتأكسد بعض الشوائب أيضًا (مثل الزنك والحديد) وتنتقل إلى الإلكتروليت: Z n ( ) Z n ( ) + 2 e s a q 2 + – F e ( ) F e ( ) + 2 e s a q 2 + –
عند المهبط، يحدث العكس:
تُختزل أيونات النحاس في الإلكتروليت إلى فلز نحاس يطلي المهبط.
هذه هي الاحتمالات المعطاة لنا.
في التجربة 1، لدينا أقطاب خاملة؛ بمعنى أن الجرافيت لن يتفاعل مع محلول كبريتات النحاس في هذه الظروف. إذن، نتوقع أن محلول كبريتات النحاس سيخضع للتحليل الكهربي؛ نظرًا لأن النحاس أقل نشاطًا من الهيدروجين، وعليه، تختزل أيونات النحاس الموجودة في المحلول عند المهبط الجرافيت، إلى فلز نحاس.
هذه هي الاحتمالات المعطاة لنا.
في التجربة 1، لدينا أقطاب خاملة؛ بمعنى أن الجرافيت لن يتفاعل مع محلول كبريتات النحاس في هذه الظروف. إذن، نتوقع أن محلول كبريتات النحاس سيخضع للتحليل الكهربي؛ نظرًا لأن النحاس أقل نشاطًا من الهيدروجين، وعليه، تختزل أيونات النحاس الموجودة في المحلول عند المهبط الجرافيت، إلى فلز نحاس.
يوضح الشكل التالي أساسيات الإعداد لعملية الطلاء بالكهرباء.
على سبيل المثال، إذا أردنا طلاء جرس مصنوع من النحاس بالزنك، يمكننا استخدام الطلاء بالكهرباء. النحاس أقل نشاطًا من الزنك؛ لذا سيكون مناسبًا.
على سبيل المثال، إذا أردنا طلاء جرس مصنوع من النحاس بالزنك، يمكننا استخدام الطلاء بالكهرباء. النحاس أقل نشاطًا من الزنك؛ لذا سيكون مناسبًا.
إذا كان مصدر الطاقة مُعدًّا بشكل صحيح، فسيحدث أمران عند تشغيله.
عند المصعد، سيتأكسد فلز الزنك لتكوين أيونات الزنك، التي ستنتقل إلى المحلول. وبينما تستمر عملية الطلاء بالكهرباء، ستقل كتلة الزنك تدريجيًّا:
عند المهبط، سيُطلى الجرس المصنوع من النحاس بالزنك؛ وذلك لأن أيونات الزنك الموجودة في المحلول تُختزل لتكوين فلز الزنك:
عند المهبط، سيُطلى الجرس المصنوع من النحاس بالزنك؛ وذلك لأن أيونات الزنك الموجودة في المحلول تُختزل لتكوين فلز الزنك:
مثال ٢: تحديد الإعداد المناسب لطلاء الحديد كهربيًّا باستخدام النحاس
ما الشكل الذي يوضِّح الإعداد المناسب لطلاء تاج من الحديد كهربيًّا باستخدام النحاس؟
ما الشكل الذي يوضِّح الإعداد المناسب لطلاء تاج من الحديد كهربيًّا باستخدام النحاس؟
ما الشكل الذي يوضِّح الإعداد المناسب لطلاء تاج من الحديد كهربيًّا باستخدام النحاس؟
ما الشكل الذي يوضِّح الإعداد المناسب لطلاء تاج من الحديد كهربيًّا باستخدام النحاس؟
أثناء الطلاء بالكهرباء، تكتسب أيونات الفلز موجبة الشحنة الموجودة في المحلول إلكترونات عند المهبط، وتتحول إلى ذرات فلز صُلبة. ومن ثَمَّ، إذا كنا نريد طلاء التاج كهربيًّا، يجب أن يكون هو المهبط.
يمكننا الآن أن نسأل أنفسنا السؤال الآتي: لماذا قد نريد طلاء فلز على فلز آخر؟
تُذاب الألومينا، التي نتذكَّر أنها الاسم الشائع الذي يُطلَق على أكسيد الألومنيوم، في الكريوليت المنصهر عند درجة حرارة 9 0 0 ∘ C تقريبًا. وبعد ذلك يتم إنزال مصاعد من الكربون في الخليط الإلكتروليتي، وبذلك تكتمل الدائرة الكهربية. صُمِّمت الخلية الإلكتروليتية المستخدَمة في استخلاص الألومنيوم (الموضَّحة في الشكل الآتي) في عام 1886 من قِبل الكيميائي الأمريكي تشارلز مارتن هال والكيميائي الفرنسي بول هيرولت معًا.
يمكننا وصف التفاعلات التي تحدث أثناء التحليل الكهربي بدلالة الأكسدة والاختزال وحركة الإلكترونات. تُعَد الأكسدة فقدًا للإلكترونات، في حين يتضمَّن الاختزال اكتسابًا للإلكترونات. إذا واجهتك مشكلة في تذكُّر تعريف عمليتَي الأكسدة والاختزال، يمكنك ربطهما بكلمتَي خسارة وفوز؛ فحرف السين مشترك في كلمتَي أكسدة وخسارة، والأكسدة هي عملية تُفقد فيها الإلكترونات، وحرف الزاي مشترك في كلمتَي اختزال وفوز، والاختزال هو عملية تُكتسب فيها الإلكترونات.
أسئلة تطبيقية
٠ / ٦طلاء Ag — القطعة:
Al من:
نقاوة Cu بعد التنقية (%):
تنقية Cu — الأنود:
شوائب Ag/Au:
Al — O₂ عند الأنود: