الكيمياء الكهربية

التحليل الكهربائي هو تكسير (تحلل) مركب أيوني — عندما يكون مسلاً أو في محلول مائي — عن طريق مرور تيار كهربائي خلاله.

لا يعمل إلا عندما تكون المادة مسلة أو مذابة، لأن حينها تكون الأيونات حرة الحركة وتحمل الشحنة. لا يمكن تحليل المركب الأيوني الصلب كهربائياً لأن أيونه مقفولة في أماكنها.

الخلية الكهربائية

يُسمى هذا الترتيب الخلية الكهربائية. غوص قطبان (موصلات صلبة) في الإلكتروليت — وهو المادة المصهورة أو المائية التي يتم تفكيكها.

• الأنود هو القطب الموجب ($+$).
• الكاثود هو القطب السالب ($-$).

غالباً ما تكون الأقطاب خاملة (لا تتفاعل)، مثل البلاتين أو الكربون/الجرافيت.

ما يتكون عند كل قطب

هناك قاعدة بسيطة:

• تتكون المعادن أو الهيدروجين عند الكاثود.
• تتكون غير المعادن (ما عدا الهيدروجين) عند الأنود.

بالنسبة للمحاليل المائية، قد يعتمد الناتج على ما إذا كان المحلول مخففًا أم مركزًا. إليك الأمثلة الأساسية الثلاثة:

مثال محلل. تنبأ بنواتج تحليل كلوريد الزنك المذاب، $\text{ZnCl}_2$. بما أنه مذاب، فإن أيونات الزنك وأيونات الكلوريد فقط هي الموجودة - لا يوجد ماء يعقد الأمور. الزنك معدن، لذا يتكون عند الكاثود: أيونات $\text{Zn}^{2+}$ تكتسب إلكترونات ويظهر رصاص فضي اللون. الكلور غير معدني، لذا يتكون عند الأنود: تخرج فقاعات غاز الكلور الأخضر الفاتح. تحقق دائمًا من الحالة أولاً. المركب المذاب يعطيك عناصره المكونة فقط، بينما المركب المائي يُدخل الماء في المنافسة - ولهذا السبب يعطي محلول كلوريد الصوديوم المركز هيدروجين عند الكاثود بدلاً من الصوديوم.

كيف تنتقل الشحنة

أثناء التحليل الكهربائي:

• تتحرك الإلكترونات عبر الأسلاك (الدائرة الخارجية) من مصدر الطاقة.
• عند الكاثود، تكتسب الأيونات الموجبة إلكترونات. اكتساب الإلكترونات هو اختزال.
• عند الأنود، تفقد الأيونات السالبة إلكترونات. فقدان الإلكترونات هو أكسدة.
• داخل الإلكتروليت، تتحرك الأيونات: تذهب الأيونات الموجبة إلى الكاثود وتذهب الأيونات السالبة إلى الأنود.

يمكنك كتابة معادلة نصفية لكل قطب. بالنسبة لبروميد الرصاص(II) المذاب:

التحليل الكهربائي لكبريتات النحاس(II)

يعتمد الناتج عند الأنود على نوع القطب:

• باستخدام أقطاب كربون خاملة: يتكون النحاس عند الكاثود ويتكون الأكسجين عند الأنود. يتلاشى اللون الأزرق للمحلول ببطء مع إزالة النحاس.
• باستخدام أقطاب النحاس: يتكون النحاس عند الكاثود، بينما يذوب الأنود نفسه في المحلول. يبقى اللون الأزرق كما هو. يُستخدم هذا لتنقية النحاس.

الطلاء الكهربائي

الطلاء الكهربائي يعني تغطية جسم معدني بطبقة رقيقة من معدن آخر. يحسن هذا مظهره ومقاومته للتآكل (التآكل والصدأ والتلف).

لتطبيق الطلاء الكهربائي على جسم:

• يُجعل الجسم المراد طلائه الكاثود;
• يُجعل المعدن المُطلّي الأنود;
• يكون الإلكتروليت محلولًا يحتوي على أيونات المعدن المُطلّي.

تستخدم خلية الوقود الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الكهرباء مباشرة. المنتج الكيميائي الوحيد هو الماء.

*تحوّل خلية الوقود الهيدروجين-الأكسجين الطاقة الكيميائية مباشرة إلى كهرباء، مع كون الماء هو المنتج الوحيد

من المفيد مقارنة خلية الوقود بمحرك بنزين (وقود) عادي في مركبة.

مزايا خلية الوقود: المنتج الوحيد هو الماء، لذا فهي لا تلوث الهواء، وتحويل الطاقة الكيميائية إلى كهرباء بكفاءة. عيوب: الهيدروجين صعب التخزين والنقل الآمن، وإنتاج الهيدروجين قد لا يزال يستخدم طاقة من الوقود الأحفوري.

• عند الكاثود (السالب) تحصل على معدن أو هيدروجين؛ عند الأنود (الموجب) تحصل على غير معدني. تهاجر الأيونات الموجبة إلى الكاثود، والأيونات السالبة إلى الأنود.
• المركب المصهور يُعطي عندها عنصرينه فقط. أما المحلول المائي فقد يعطي منتجات مختلفة (فمثلاً محلول كلوريد الصوديوم المركز يعطي الهيدروجين والكلور، وليس الصوديوم).
• الاختزال هو كسب الإلكترونات (عند الكاثود)؛ والأكسدة هي فقدان الإلكترونات (عند الأنود). تذكر قاعدة OIL RIG.
• في معادلة النصف، يجب أن تتساوى الذرات والشحنات، مع وضع الإلكترونات على الجانب الصحيح: $\text{Pb}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Pb}$ (عند الكاثود).
• لـالكهرباء الطلاءية لجسم ما، اجعله كاثوداً، واجعل معدن الطلاء أنوداً، واستخدم محلولاً يحتوي على أيونات هذا المعدن.