أهداف الدرس

1. • أن يفرق الطالب بين الخلية الجلفانية والخلية الإلكتروليتية.
2. • أن يشرح عمليات التحليل الكهربي والتطبيقات الصناعية.
3. • أن يفسر ظاهرة التآكل وطرق الوقاية منها.

الخلية الإلكتروليتية

• هي خلية تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية، وتحتاج إلى مصدر خارجي للتيار. يحدث فيها التفاعل غير التلقائي.
• • الأنود موجب الشحنة، وتحدث عنده الأكسدة.
• • الكاثود سالب الشحنة، وتحدث عنده الاختزال.
• يحتاج التحليل الكهربي إلى مصدر تيار مستمر بجهد يزيد قليلاً على جهد الخلية، ويُغمر القطبان في الإلكتروليت.
• وفي المحاليل المائية تتنافس الكاتيونات والأنيونات مع أيونات الماء؛ فيُختزل عند الكاثود الأيون ذو جهد الاختزال الأعلى، ويتأكسد عند الأنود الأيون ذو جهد التأكسد الأعلى.

• ففي المحلول المائي لكلوريد الصوديوم يُختزل الهيدروجين عند الكاثود ويتصاعد غازه بدلاً من تكوين الصوديوم، لأن جهد اختزال الهيدروجين أعلى بكثير، بينما يفضل الصوديوم البقاء ذائباً.
• أما في المصهور فلا يوجد سوى أيونات الملح، فيُختزل الصوديوم عند الكاثود.

التحليل الكهربي للماء

• • عند الكاثود 2H2O + 2e → H2 + 2OH-
• • عند الأنود 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
• • حجم الهيدروجين ضعف حجم الأكسجين، لأن عدد مولات الهيدروجين ضعف عدد مولات الأكسجين.
• لتحرير مول من غاز ثنائي الذرة نحتاج إلى ضعف تكافؤه بالفاراداي؛ فمول O2 يحتاج 4 فاراداي، ومول H2 أو Cl2 يحتاج 2 فاراداي.
• فمثلاً مرور 0.2 فاراداي في الماء يصعد 0.05 مول من O2، أي 1.12 لتر في الظروف القياسية.

الطلاء الكهربي

• يستخدم لطلاء فلز بطبقة من فلز آخر لحمايته من الصدأ أو لأغراض جمالية.
• • القطعة المراد طلاؤها الكاثود.
• • الفلز الطلاء الأنود.
• • محلول الإلكتروليت ملح من فلز الطلاء.
• مثال طلاء ملعقة حديد بالفضة باستخدام قطب فضة ومحلول نترات الفضة.
• أثناء الطلاء يذوب أنود الفضة ويعوض الأيونات التي تترسب على الكاثود، فيبقى تركيز نترات الفضة ثابتاً تقريباً.
• وتُطلى الأدوات بهذه الطريقة بالفضة أو بالذهب أو بالنيكل والكروم لحمايتها من الصدأ ولأغراض التجميل.

تنقية النحاس

• يحتوي النحاس الخام على شوائب الحديد والخارصين والرصاص والذهب والفضة، ونسبة نقاوته نحو 99%، فيرتفع إلى 99.95% بالتنقية.
• عند الأنود يتأكسد الخارصين والحديد ويذوبان دون أن يترسبا عند الكاثود، ويتأكسد النحاس ويترسب نقياً على الكاثود.
• أما الفضة والذهب فلا يتأكسدان ويسقطان أسفل الأنود كطين يُجمع ويُباع لتغطية التكاليف.

استخلاص الألومنيوم

• يتم بتحليل أكسيد الألومنيوم المنصهر في الكريوليت، ويحدث الاختزال عند الكاثود، وتحرر عند الأنود كميات كبيرة من الأكسجين الذي يتحد مع الكربون مكوناً ثاني أكسيد الكربون.
• يُخفض الكريوليت درجة انصهار أكسيد الألومنيوم Al2O3 المستخلص من البوكسيت من نحو 2072°C إلى نحو 950°C تقريباً، ويُضاف إليه قليل من الفلورسبار.
• وتُختزل أيونات Al3+ عند الكاثود وفق المعادلة 2Al3+ + 6e → 2Al، وتُستبدل أقطاب الكربون الأنودية دورياً لأنها تتآكل بتفاعلها مع الأكسجين المتصاعد.

التآكل

• تآكل الحديد ظاهرة كهروكيميائية، حيث يعمل الحديد أنوداً ويتأكسد، ويتكون الصدأ في وجود الأكسجين والرطوبة.
• طرق الوقاية:
• • الطلاء بالدهانات أو الشحوم.
• • الجلفنة بطبقة من الزنك.
• • الحماية الكاثودية باستخدام فلز أكثر نشاطاً مثل الماغنسيوم.
• • استخدام سبائك مقاومة للتآكل مثل الصلب الذي لا يصدأ.
• يحدث الصدأ عندما يعمل الحديد الأنقى أنوداً ويتأكسد إلى Fe2+، وتنتقل الإلكترونات إلى شوائب الكربون حيث يختزل الأكسجين الذائب في قطرات الماء: O2 + 2H2O + 4e → 4OH–.
• ثم يتحد Fe2+ مع OH–، ويتأكسد Fe(OH)2 بالأكسجين الذائب إلى هيدروكسيد الحديد III، وهو الصدأ بصيغته Fe2O3.xH2O.
• وعلب المأكولات المطلية بالقصدير تصدأ بسرعة أكبر عند حدوث خدش، لأن القصدير كاثود والحديد أنود نشط، بعكس الجلفنة حيث يتآكل الخارصين أولاً.

تقييم سريع

• 1- قارن بين الأنود والكاثود في الخلية الجلفانية والإلكتروليتية.
• 2- لماذا يستخدم الزنك في جلفنة الحديد؟
• 3- اشرح كيف يتم تنقية النحاس بالتحليل الكهربي.