تعتمد الخلايا الإلكتروليتية على استخدام مصدر خارجي للتيار الكهربائي لإحداث تفاعل كيميائي غير تلقائي. صاغ العالم مايكل فاراداي عام 1834 قانونين كميين تاريخيين ربطا بين كمية الكهرباء المارة وكتلة المواد المترسبة أو المتصاعدة عند الأقطاب. ندرس في هذا الدرس قانوني فاراداي، والفاراداي والكولوم، ومسائل التحليل الكهربي، وتطبيقات الطلاء بالكهرباء وتنقية النحاس واستخلاص الألومنيوم.
🌳 شجرة التصنيفات والمفاهيم الهيكلية (Hierarchy Concept Tree)
خريطة ذهنية هيكلية مستوحاة من أسلوب كبار معلمي الثانوية العامة ونظم التعلم الحديثة لتنظيم استيعاب الطالب قبل الخوض في التفاصيل:
📋 سبورة الأستاذ الذهبية وتريكات الامتحان (The Master Teacher's Blackboard)
أسلوب كبار معلمي الثانوية العامة • يوتيوب- ⚡ المعادلات الأيونية الموزونة: تأكد من وزن الشحنات الكهربية ووزن أعداد الذرات قبل تطبيق قوانين التحليل الكمي والحساب الكيميائي.
- ⚡ الألوان ودلائل الترسيب: ميز بين الغازات المتصاعدة بروائحها وتأثيرها على ورقة تباع الشمس أو النشا أو ثاني كرومات البوتاسيوم.
- ⚡ استراتيجية الاستبعاد: في أسئلة الكيمياء، استبعد فوراً النواتج غير الممكنة ديناميكياً أو المتناقضة مع متسلسلة النشاط.
01 أولًا: قانونا فاراداي ومفهوم الفاراداي والكولوم
قانون فاراداي الأول: تتناسب كتلة أي مادة تتكون أو تستهلك عند أي قطب (سواء كانت غازاً أو راسباً) تناسباً طردياً مع كمية الكهرباء (Q) المارة في المحلول أو المصهور الإلكتروليتي.
قانون فاراداي الثاني: تتناسب كتل المواد المختلفة المترسبة أو المتصاعدة عند الأقطاب بمرور نفس كمية الكهرباء في عدة خلايا إلكتروليتية متصلة على التوالي تناسباً طردياً مع كتلتها المكافئة الجرامية (Equivalent Weight).
الكتلة المكافئة الجرامية: كتلة المادة التي تفقد أو تكتسب مولاً واحداً من الإلكترونات أثناء تفاعل الأكسدة والاختزال:
\[ \text{الكتلة المكافئة الجرامية} = \frac{\text{الكتلة الذرية الجرامية}}{\text{التكافؤ (عدد الشحنات)}} \]
القانون العام للتحليل الكهربي والفاراداي (Faraday's Constant):
لترسيب أو تصعيد كتلة مكافئة جرامية واحدة من أي مادة يلزم دائماً مرور كمية ثابتة من الكهرباء تُقدر بـ 96500 كولوم وتُعرف بـ واحد فاراداي (1 F).
\[ \text{كتلة المادة المترسبة (جم)} = \frac{\text{كمية الكهرباء (كولوم)} \times \text{الكتلة المكافئة}}{96500} = \frac{I \times t \times \text{الكتلة المكافئة}}{96500} \]
حيث I شدة التيار بالأمبير، و t الزمن بالثواني.
قاعدة ذهبية لترسيب ذرة جرامية (1 مول ذرة): يلزم كمية كهرباء قدرها (التكافؤ z × 1 فاراداي). ولتصعيد مول واحد من جزيء غاز ثنائي الذرة (كـ O2, Cl2, H2) يلزم (التكافؤ × 2 × 1 فاراداي)؛ فمثلاً لتصعيد مول واحد من غاز الأكسجين (O2) يلزم: 2 × 2 = 4 فاراداي.
02 ثانيًا: التطبيقات الصناعية للتحليل الكهربي
| التطبيق الصناعي | الأنود (+) والكاثود (−) | المحلول الإلكتروليتي وتفاصيل التفاعل |
|---|---|---|
| 1. الطلاء بالكهرباء (Electroplating) مثل طلاء إبريق بطبقة فضة | • الأنود: لوح من الفضة النقية (Ag). • الكاثود: الإبريق المراد طلاؤه بعد تنظيفه جيداً. | محلول ملح لفلز الطلاء مثل نترات الفضة (AgNO3). عند مرور التيار تذوب ذرات الفضة من الأنود كأيونات Ag+ وتهاجر نحو الإبريق (الكاثود) لتكتسب إلكترونات وتترسب كطبقة لامعة منتظمة. |
| 2. استخلاص الألومنيوم صناعياً من البوكسيت | • الأنود: أسطوانات من الجرافيت تستهلك وتتآكل دورياً لأكسدتها بالأكسجين المتصاعد مكونة CO و CO2. • الكاثود: جدار الخلية الحديدي المبطن بالجرافيت. | مصهور البوكسيت (Al2O3) المذاب في الكريوليت (Na3AlF6) كمذيب، ويضاف إليه الفلورسبار (CaF2) لخفض درجة انصهار المخلوط من 2045°س إلى 950°س. ويستخدم حديثاً مخلوط أملاح فلوريدات الألومنيوم والصوديوم والكالسيوم لتميزه بـ انخفاض درجة الانصهار وانخفاض الكثافة مما يسهل طفو المصهور وهبوط الألومنيوم المنصهر لقاع الخلية وسحبه. |
| 3. تنقية فلز النحاس من الشوائب | • الأنود: لوح نحاس غير نقي (يحتوي شوائب Fe, Zn, Ag, Au). • الكاثود: سلك رفيع نقي من النحاس. | محلول كبريتات النحاس II (CuSO4) المحمض. عند مرور التيار يتأكسد الخارصين والحديد أولاً لكبر جهد أكسدتهما ويذوبان في المحلول ولا يترسبان لصعوبة اختزالهما. ويتأكسد النحاس ويترسب وحده على الكاثود بنقاوة تصل لـ 99.95% لرفع كفاءة التوصيل الكهربي. أما الفضة والذهب فلا يتأكسدان لصغر جهدهما ويسقطان أسفل الأنود كراسب ثمين يُجمع ويباع. |
⚠️ فخاخ وزارية شائعة ونقاط دقيقة في الامتحانات 2026/2027
- الخلط في وحدات القياس: انتبه دائماً إلى تحويل الوحدات الدولية القياسية قبل التعويض في القوانين.
- قراءة السؤال حتى الكلمة الأخيرة: احذر من كلمات النفي والاستثناء مثل (عدا، ما عدا، ليس من، لا ينطبق).
- التمييز بين النتيجة والسبب: فسر الظواهر بناءً على الأساس العلمي المباشر ولا تكتفِ بالوصف السطحي.
💡 الكبسولة الذهبية للمراجعة المركزة ليلة الامتحان
تم استخلاص وتكثيف نواتج التعلم في هذا الدرس لتمكين الطالب من تثبيت المفاهيم البنيوية الأساسية وحل الأسئلة المدمجة متعددة المستويات في أقل من دقيقة لكل سؤال.
تحدَّ نفسك: تقييمات وزارية تفاعلية على هذا الدرس
أسئلة تفاعلية حصرية على نمط الاختبار الوزاري 2026/2027 مبنية على محتوى هذا الدرس فقط، مع التفسير العلمي وسبب صحة أو خطأ كل خيار.
كمية الكهرباء بالفاراداي اللازمة لتصعيد مول واحد من غاز الأكسجين (O2) عند تصاعده عند المصعد بالتحليل الكهربي للماء تساوي:
في خلية استخلاص الألومنيوم صناعياً من البوكسيت، يلزم تغيير أسطوانات أقطاب الجرافيت (الأنود) دورياً لأنها:
عند تنقية النحاس غير النقي المحتوي على شوائب من الخارصين والحديد والفضة والذهب؛ فإن الشوائب التي لا تتأكسد وتسقط أسفل قاع الأنود هي:
كتلة الفضة المترسبة (الكتلة الذرية للفضة = 108 وتكافؤها أحادي) عند إمرار تيار شدته 10 أمبير لمدة 965 ثانية في محلول نترات الفضة تساوي:
استبدال مصهور الكريوليت حديثاً بمخلوط فلوريدات الصوديوم والكالسيوم والألومنيوم في استخلاص الألومنيوم يرجع إلى:
هل أنت جاهز لخوض الاختبار الوزاري الكامل وبنك الـ 300 سؤال؟
اختبر استيعابك الشامل مع المؤقت الزمني وحساب الدرجات والمراجعة التفصيلية لكل سؤال.
🚀 ابدأ بنك الأسئلة الشامل (300+ سؤال) الآن