ملخص الوحدة السادسة: الكيمياء الكهربائية لمادة الكيمياء للصف العاشر الفصل الدراسي الثاني المنهج العماني

نقدم لكم ملخص الوحدة السادسة: الكيمياء الكهربائية لمادة الكيمياء للصف العاشر الفصل الدراسي الثاني المنهج العماني

الدرس 6-1: تفاعلات الأكسدة والاختزال

الأكسدة والاختزال من أكثر أنواع التفاعلات الكيميائية أهمية وانتشاراً في الطبيعة والصناعة. والفهم الدقيق لهاتين العمليتين المتلازمتين يُشكّل أساساً متيناً لدراسة الكيمياء الكهربائية.

التعريف الأولي للأكسدة والاختزال: الأكسدة هي عملية إضافة الأكسجين إلى مادة ما. فمثلاً، عند تسخين النحاس في الهواء، يتفاعل مع الأكسجين لتكوين أكسيد النحاس (II) الأسود: 2Cu + O₂ → 2CuO. ويقال في هذه الحالة إن النحاس ‘تأكسد’. أما الاختزال فهو عملية نزع الأكسجين من مادة ما. فمثلاً، عندما يُمرَّر الهيدروجين فوق أكسيد النحاس (II) الساخن، يُزيل الهيدروجين الأكسجين ليتكون النحاس مرة أخرى: CuO + H₂ → Cu + H₂O. وتُسمى مادة يود اختزالية.

العوامل المؤكسدة والمختزلة: الأكسدة والاختزال عمليتان متلازمتان تحدثان دائماً معاً في التفاعل نفسه، مما يُعرف بتفاعلات الأكسدة-الاختزال أو تفاعلات ‘ريدوكس’. المادة التي تُكسب الأكسجين لغيرها تُسمى ‘عاملاً مؤكسداً’، وتُختزَل هي نفسها خلال التفاعل. أما المادة التي تنزع الأكسجين من غيرها فتُسمى ‘عاملاً مختزلاً’، وتتأكسد هي نفسها خلال التفاعل.

التعريف الموسّع للأكسدة والاختزال (نقل الإلكترونات): توسّع مفهوم الأكسدة والاختزال ليشمل تفاعلات لا يكون فيها انتقال للأكسجين. وفي هذا التعريف الموسّع: الأكسدة هي عملية فقدان الإلكترونات، والاختزال هو عملية اكتساب الإلكترونات. فعند تفاعل الخارصين مع كبريتات النحاس (II): Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu، يفقد الخارصين إلكترونين (يتأكسد) ويكسبهما أيون النحاس (يُختزل).

أنصاف المعادلات الأيونية: لتوضيح عمليتي الأكسدة والاختزال بشكل منفصل، تُكتب أنصاف المعادلات الأيونية التي تُظهر انتقال الإلكترونات. فمثلاً في تفاعل الخارصين مع أيون النحاس: نصف معادلة الأكسدة: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (الخارصين يفقد إلكترونين)، ونصف معادلة الاختزال: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (أيون النحاس يكسب إلكترونين). عند جمع نصفي المعادلة وإلغاء الإلكترونات المتماثلة، نحصل على المعادلة الأيونية الكلية.

مثال آخر على تفاعلات الأكسدة-الاختزال بدون الأكسجين هو إزاحة اليود من يوديد البوتاسيوم بالكلور: Cl₂ + 2KI → 2KCl + I₂. في هذا التفاعل يكتسب الكلور إلكترونات (يُختزل)، بينما تفقد أيونات اليوديد إلكتروناتها (تتأكسد). وتُعدّ أيونات اليوديد مثالاً على عامل مختزل جيد، في حين يُعدّ الكلور مثالاً على عامل مؤكسد جيد لقدرته الكبيرة على انتزاع الإلكترونات.

الدرس 6-2: التحليل الكهربائي

التحليل الكهربائي هو عملية تحليل مواد كيميائية (مركبات أيونية) باستخدام التيار الكهربائي المستمر. وهو تطبيق عملي مباشر لمبادئ الأكسدة والاختزال.

التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة والسائلة: لتوصيل الكهرباء، يجب أن تحتوي المادة على جسيمات موجبة أو سالبة قادرة على الحركة لنقل الشحنة. في الفلزات والجرافيت، تتحرك الإلكترونات الحرة عبر المادة لنقل الكهرباء دون أن يحدث أي تغيير كيميائي (التوصيل الفلزي). أما في المواد الأيونية المصهورة أو المذابة في الماء، فتتحرك الأيونات لنقل الكهرباء، ويُصاحب ذلك تغيير كيميائي (التوصيل الإلكتروليتي).

الإلكتروليتات واللاإلكتروليتات: الإلكتروليتات هي المواد التي تُوصل الكهرباء في الحالة المائية أو المصهورة عن طريق حركة الأيونات، مثل: محاليل الأملاح، ومحاليل الأحماض، ومحاليل القلويات، ومصاهير الأملاح. أما اللاإلكتروليتات فهي المواد التي لا تُوصل الكهرباء بهذه الطريقة، مثل: الإيثانول، والبارافين، والماء النقي، ومحلول السكر.

مكونات الخلية الإلكتروليتية: تتضمن الخلية الإلكتروليتية مصدر تيار كهربائي مستمر (بطارية)، وقطبين كهربائيين من الجرافيت عادةً (أقطاب خاملة)، والإلكتروليت (المادة المُحلَّلة). يُسمى القطب الموصول بالطرف السالب للبطارية الكاثود (المهبط)، ويُسمى القطب الموصول بالطرف الموجب الآنود (المصعد). تتحرك الأيونات الموجبة (الكاتيونات) نحو الكاثود، وتتحرك الأيونات السالبة (الأنيونات) نحو الآنود.

مثال على التحليل الكهربائي لمصهور بروميد الرصاص (II): عند تحليل بروميد الرصاص (II) المصهور كهربائياً، تتحرك أيونات الرصاص الموجبة (Pb²⁺) نحو الكاثود حيث تكتسب إلكترونين وتُختزل إلى رصاص ترسّب: Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb. أما أيونات البروميد السالبة (Br⁻) فتتحرك نحو الآنود حيث تفقد إلكترونات وتتأكسد إلى بروم: 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻.

توقع نواتج التحليل الكهربائي: عند التحليل الكهربائي لمحاليل مائية، يجب مراعاة وجود الماء إلى جانب أيونات المذاب في المحلول. فقد تتنافس أيونات المذاب مع الماء على الترسب على الأقطاب. يُنتج الكاثود دائماً الفلز (أو الهيدروجين إذا كانت الفلزات نشطة جداً). أما الآنود فيُنتج اللافلز أو الأكسجين حسب نوع الأيونات الموجودة.

الدرس 6-3: تطبيقات على التحليل الكهربائي

تطبيق 1 – استخلاص الألومنيوم من خام البوكسيت: يُعدّ الألومنيوم من الفلزات النشطة جداً، لذا يُستحيل استخلاصه من خاماته بطرق الاختزال الكيميائية. لاستخلاصه، يُذاب خام البوكسيت (أكسيد الألومنيوم) في الكريوليت المصهور لتخفيض درجة انصهاره من 2050°C إلى نحو 850°C. تتحرك أيونات الألومنيوم (Al³⁺) نحو الكاثود وتُختزل: Al³⁺ + 3e⁻ → Al. وتتحرك أيونات الأكسيد نحو الآنود وتتأكسد لتُنتج الأكسجين: 2O²⁻ → O₂ + 4e⁻.

تطبيق 2 – التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم المركّز (بروكس): يُستخدم هذا التطبيق الصناعي لإنتاج عدة مواد كيميائية مهمة. عند التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم المركز (ماء البحر المُعالَج): ينتج الكلور عند الآنود من أكسدة أيونات الكلوريد. وينتج الهيدروجين عند الكاثود من اختزال الماء. ويتكون محلول هيدروكسيد الصوديوم (الصودا الكاوية) في المحلول المتبقي. وتُستخدم هذه المنتجات الثلاثة في صناعات عديدة كالبلاستيك والورق والمنظفات والأدوية.

تطبيق 3 – تنقية النحاس والطلاء الكهربائي: يُستخدم التحليل الكهربائي لتنقية النحاس من شوائبه. يُستخدم نحاس غير نقي كآنود، ونحاس نقي كاثود، ومحلول كبريتات النحاس (II) إلكتروليتاً. عند تمرير التيار الكهربائي: يذوب النحاس من الآنود (يتأكسد): Cu → Cu²⁺ + 2e⁻، ويترسب النحاس النقي على الكاثود (يُختزل): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. الشوائب المعدنية تسقط كمسحوق في قاع الخلية. كذلك يُطبَّق نفس المبدأ في طلاء المعادن بطبقة واقية أو زينة من فضة أو ذهب أو نيكل وغيرها.