الفصلُ الثاني

 

 

 

توصيلُ محاليلِ المركَّباتِ ومصوراتِها للتَّيَّارِ الكهربائيِّ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

يبينُ الشكلُ (1) محلولَيْنِ : أحدُهُما المحلولُ (أ) يوصل التَّيارَ الكهربائيَّ ، والآخر (المحلول ب) لا يوصُلهُ .

لماذا يستطيعُ المحلولُ (أ) إيصالَ التَّيَّارِ الكهربائيِّ ، بينما لا يستطيعُ المحلولُ (ب) ذلكَ ؟ ما الأشياءِ الّتي توجدُ في المحلول وتجعله قادراً على إيصال التَّيارَ الكهربائيَّ ؟ ما الموادُّ التي توصل محاليلها المائية التيار الكهربائيَّ ؟

ستتمكن من الإجابةِ عن هذهِ الأسئلةِ وغيرها ذاتِ العلاقةِ ، بعد دراسَتِكَ لِهذا الفصلِ ، حيثُ ستدرسُ فيهِ محاليلَ بعضَ المركباتِ ومصوراتِها ومكوناتِها، وسلوكَ هذهِ المكوناتِ لدى مُرورِ التَّيارِ الكهربائيِّ فيْها . وبعد أنْ تنهي دراسة هذا الفصل ، يتوقَّعُ منكَ أنْ تكونَ قادراً على أنْ :

1-  تبيِّنِ لِماذا توصلُ محاليلُ المركباتُ الأيونيَّةُ ومصهوراتهُا التَّيَّارَ الكهرْبائيَّ .

2-  تبيَّنَ لماذا لا توصلُ محاليلُ المركَّباتِ الجزيئيَّةِ ومصهوراتهِا التَّيَّارَ الكهربائيَّ .

3-  تكْتُبَ معادلات أَيونيَّةً ، تمثِّلُ التَّفاعلاتِ الَّتي تحدثُ على القُطْبَينِ ، عندَ سريانِ التَّيَّارِ الكهربائيِّ في المحلولِ أو المَصْهورِ لموادِّ أيونيَّةَ .

 

 

1. المُركَّباتُ الَّتي توصِلُ محاليلُها المائيَّةُ التَّيَّارَ الكهربائيَّ

 

      درسْتَ في الوحدةِ الأولى ، أنّ الماءَ النقيَّ لا يوصلُ التَّيارَ الكهربائيَّ ، لكنَّ المحلولَ المائيَّ لملحِ الطَّعامِ NaCl يوصلُ التَّيَّار الكهربائيَّ . تُرَى ، هلْ هناكَ محاليُل مائَّيةُ لموادَّ أُخرى توصِلُ التَّيَّارَ الكهربائي ؟ للإجابةِ عنْ هذا السؤالِ ، قُمْ بإجراءِ النَّشاطِ (1) التَّالي :

 

النَّشاطُ (1):

 

      المحاليلُ الموصِلَةُ للتَّيَّارِ الكهرُبائيِّ

تحتاجُ في هذا النشاط إلى :

كأس زجاجية سَعَة 250مل ، ومصباحٍ كهربائيٍّ صغيرٍ وقاعدته ، وقطبِ غرافيت عدد(2) ، وبطَّارية جافة (6فولت أو 9فولت) ، وأسلاك توصيل كهربائيٍّ ، وماء مقطر ، ومحلولِ حمْضِ الكبريتيكH2SO4 أو محلول حمض الهيدروكلوريك HCl  ، وعينات صلبة من: السُّكَّر (سكَّرِ المائدّةِ) ، كبريتات البوتاسيوم K2SO4 . أو ملح الطعام NaCl ، وهيدروكسيد الصوديوم NaOH (أو هيدروكسيدِ البوتاسيوم KOH) ، ملعقة ، قضيب تحريك .

-         ركِّب الجهازَ المبيَّن في الشّكْلِ (2)

-    أضف 100 مل تقريباً من الماء المقطر إلى الكأس. لاحظ هل يضيءُ المصباحُ أم لا؟

-    أَضفْ مقدارَ ملعقةٍ كَبيرةٍ من السُّكَّرِ إلى الماءِ الموجودِ في الكأس . حرّكْهُ حتى يذوب السكَّرُ . لاحظْ هلْ يضيءُ المصباحُ أَمْ لا ؟

-         أَفْرِغْ الكأسَ من محتوياتها ، واغسلِ الكأْسَ بالماءِ المقطر ، ثمَّ جفِّفْها .

-    خذ قطعة متماسكة من ملْح الطَّعامِ NaCl واختبر ايصالها للتيار بوساطة أَقطابِ الغَرافيت. لاحظْ هلْ يضيءُ المصبْاحُ أَم لا؟ أضفْ 100مل منَ الماءِ إِلى الكأْسِ ، حركِّهُ حتَّى يذوبَ ملحُ الطَّعامِ . هلْ يضيء المصباحُ ؟ سجِّلْ ملاحظاتَكَ .

-    كرّر الخطوةِ السّابقة باستخدامِ العيناتِ الأخرى . لا تنسَ في كلّ مرة أن تغسِلَ الكأسِ بالماءِ النَّقِيَ ، وأنْ تجفِّفَها .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- نظِّف الكأسَ وأضفْ إِليها 100مل تقريباً من محلول حمْضِ الكبريتيك H2SO4  هل يضيءَ المصباحُ أمْ لا ؟

صنِّف المركَّباتِ التَّي استخدَمْتَها في هذا النشاط إلى مركباتٍ توصِل محاليلُها التيارَ الكهربائيِّ (مركَّباتٍ كهرليَّةٍ) ومركّباتٍ لا توصِلُ محاليلُها التَّيارَ الكهربائيَّ (مركباتٍ لا كهرليَّةٍ).

 

 

     لماذا توصلُ محاليلُ بَعْضِ المركَّباتِ (مثلِ : الأمْلاحِ ، والحموض ، والقواعد) ، التَّيَّارَ الكهربائيَّ ، بينَما لا توصَلُه محاليل مركبات أخرى مثل : السّكر ؟ للإجابة عن هذا السؤال ، دعنا ندرس هذه المواد بشيء من التفصيل .

1- المركَّباتُ التَّي لا توصلُ التَّيَّارَ الكهربائيَّ وهيَ في حالة الصَّلابة ، ولكنَّ محاليلَها المائيَّةَ توصلُ التَّيَّارَ الكهَرُبائيَّ . تسمَّى هذه المركَّباتُ موادَّ أيونيَّةً أو كهرليَّةً . في الحالَةِ الصُّلْبةِ ، يُوجَدُ المركّبُ الأيونِيُّ على شكْلِ تجمُّعاتٍ من الأيونَاتِ المترابطَةِ بروابِطََ أيونيَّةٍ ، وفْقَ ترْتيب خاصٍ بحيْثُ تُنْتجُ شكُلاً هندسياً يسمَّى البلّورةَ . وبلُّوراتُ المادَّة الأَيونيَّة الواحدةِ لَها شكلٌ هندسيٌّ خاصٌ بها يسمَّى الشَّكل البلًّوريَّ للمادَّةِ ، فالشَّكلُ البًّلوريًّ لملحِ كلوريدِ الصُوديومِ NaCl  هو مكعَّبٌ، لاحظ الشكل (3) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

عنْدَ إذابَة المادَّةِ الأيونَّيةِ في الماءِ ، تتفكَّكُ بلوراتُها إلى أيوناتٍ متحرِّكةٍ في المحلولِ ، ويكونُ محلولُها موصلاً للتّيَّارِ الكهربائيِّ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

والموادُّ الكهرلية أَنواعٌ مِنْها :

أ - الحموضُ ، مثّلُ : حمْضِ الهيدروكلوريك HCl ، حِمْضِ النتريك HNO3  ، حمْضِ الكبريتيك H2SO4  .

ب - القواعدُ ، مثْلُ هيدروكسيدِ الصُّوديوم NaOH ، هيدروكسيدِ البوتاسيوم KOH .

ج  - الأمْلاحُ ، مْثلُ : كلوريدِ الصُّوديوم NaCl ، كبْريتات الصُّوديوم Na2SO4 ، كبْريتاتُ البُوتاسيوم K2SO4  ، نتراتِ الفضةِ AgNO3  .

 

2- المركّباتُ التي لا توصلُ التيّارَ الكهربائيَّ سواءٌ أَكانَتْ صُلبةً أَمْ ذائبةً ، تسمَّى موادَّ لا كهرليَّةً ، وهي توجدُ في الحالَةِ الصُّلْبة أو في المَحْلولِ على شكْلِ جزيئاتٍ متعادلةٍ . وَعنْدَ إِذابَةِ بلورات هذه المواد في الماءِ ، تتفكَّكُ إلى جزيئاتٍ متحرِّكةٍ في المحلولِ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    لنعدْ الآن إلى السؤال الَّذي سبقَ أن سألنْاهُ : لماذا توصلُ محاليلُ المركَّبات الايونَّية (الكهرلية) التَّيارَ الكهربائيَّ بيْنَما لا تستطيعُ محاليل المركبات الجزيئيَّةِ (اللاكهرلية) ذلك؟ ما الأشياء التي توجد في محلول المادة الأيونية بحيث تجعله موصلاً للَّتيارَ الكهربائيِّ ؟ للإجابةِ عنْ هذينِ السؤالينِ ، أنْظر إلى الشّكلِ(4) والشَّكلِ (5) ولاحظ الفَرْقَ/الفروقَ بينَ المادة الأيونيَّةَ الصّلبة ومحلولِها . أنظر إلى الشّكل (4) والشّكلِ(5) ولاحظ الفَرَْق/الفروقَ بينَ محلولِ المادَّة الكهرليّةَ والمادَّة اللاكهرليَّة. أنْظر إلى الشّكل (4) ولاحظ أن المادة الكهرليّة الصّلبة مكوِّنةٌ من أيونات موجبةٍ ، وسالبةٍ متراصَّةٍ بجانب بعضها ، ومقيَّدَةٍ لا تتحرك من أماكنها . وعند إذابة المادة الكهرلية في الماء ، تتحطم البلورة وتتفكك إلى أيونات تتحرك في المحلول في جميع الاتجاهات . وبعضُ هذه الأيونات موجب الشحنة وبعضها الآخر سالب الشحنة . وعند وضع أقطاب (موصلة ببطارية) في المحلول ، تتجه الأيونات إلى الأقطاب المغايرة لها في الشحنة ، فتتجه الأيونات الموجبةِ إلى القطبِ السّالبِ ، والسّالبة إلى القطبِ الموجبِ وبذلك تنقل التَّيارِ الكهربائيِّ .

إنَّ وجودَ الأيونات المتحرِّكَة في جميع الاتِّجاهاتِ ، هوَ ما يميِّزُ محاليلَ الموادِّ الكهرلية عنْ بلُّورات الموادِّ الكهرلية الصلبة ، وعن محاليل المواد اللاكهرلية، وعليه نستطيعُ القوْلَ : ((توصلُ محاليلُ الموادِّ الكهرلية التيارَ الكهربائيَّ لاحتوائها على الأيونات المتحرِّكةِ ، أمَّا بلوراتُ المواد الكهرلية الصُّلبِةَ ، ومحاليلُ الموادِّ اللاكهرلية ، فَلا توصلُ التَّيَّارَ الكهربائيَّ لخلوِّها منَ الأيونات المتحرِّكة)) . وكَنتيجةٍ نهائيَّةٍ نقولُ:  يوصِلُ المحلولُ التيَّارَ الكهربائيَّ ، إذا وجُدَ فيه أيوناتٌ متحرِّكَةٌ .

 

 

 2. أَثرُ سريانِ التيَّارِ الكهربائيِّ في محلولِ مادَّةٍ كهرليَّةٍ

 

       عرفْتَ أَنَّ الأيونات في المحلول، تتَّجهُ نحوَ الأَقْطاب المخالفَةَ لَها في الشِّحنة، لدى سريان تيَّارٍ كهربائيٍّ في المحلول. تُرَى، ماذا يحدثُ لهذهِ الأيوناتِ عندَما تَصل إلى الأقطابِ؟ للإجابةِ عن هذا السُّؤالِ، ولمعرفةِ المزيدِ من الظاهراتِ الَّتي تلاحِظُ على الأقْطابِ في أثناءِ سريانِ التَّيارِ الكهربائيِّ في محاليلِ المركَّباتِ الكهَرليَّةِ، قم بإجراءِ النّشاطِ (2) التَّالي:

 

النَّشاطُ (2):

 

      سريانُ التَّيارِ الكهربائيِّ في محلولِ كلوريدِ النُّحاسِ ( II )

      

          تحتاجُ في هذا النَّشاطِ إلى: جهازِ التَّحليلِ المِبيَّنِ في الشَّكلِ (6)، ومحلولِ كلوريدِ النُّحــاسِ (II) CuCl2 .

- ركِّبِ الجِهازَ المبيَّنَ في الشَّكْلِ (6).

شَغِّلِ الجهازِ لمدةِ خمْسِ دقائقَ تَقْريباً، لاحظْ ما يحدثُ على كلٍّ منَ القُطبينْ، وسجِّلْ ملاحظاتكَ.

كيفَ كانَ كلُّ منَ النُّحاسِ، والكلورِ في المحلول قبلَ سريانِ التَّيار الكهربائيِّ؟ كيفَ أصبحَ كلٌّ منْهُما بعدَ سريانِ التَّيارِ الكهربائيِّ في المحلولِ؟ ماذا تُسمِّى التغيُّرَ الحاصلَ لكلٍّ منْهُما نتيجةً لسريانِ التَّيارِ الكهربائيِّ؟

    يوجدُ كلٌّ منَ النُّحاسِ والكلورِ في المحلولِ على شكْلِ أَيوناتٍ، نتيجةً لتفكك كلوريــد النّحـاسِ (II) وفقَ المعادَلةِ (3):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

الشَّكلُ (6): جهاز لبيان سريانُ التَّيَّارِ الكهربائيِّ في محلولِ كلوريدِ النُّحاسِ CuCl2(II)

 

 (3)                      CuCl2(aq)   ®  Cu2+(aq) + Cl-(aq)

 

 

عندَ سربانِ التَّيار الكهربائيِّ يترسَّبُ النْحاسُ صُلْباً على القطْبِ السَّالبِ، ويتصاعَدُ الكلورُ غازاً على القطبِ الموجبِ. كيفَ حدثَ ذلكَ؟

 

-    عندَ سريانِ التَّيارِ الكهربائيِّ في المحلولِ، تتَّجهُ أيوناتُ النُحاس Cu2+(aq) إلى القطبِ السَّالبِ، وتتعادَلُ بكسبِ إلكتروناتَ ( أيْ تُختَزلَ ) إلى ذرّاتِ نحاسٍ وفقَ المعادلةِ (4):

(4)                          Cu2+ + 2 e-    ® Cu(s)

 

-    وتتَّجهُ أيوناتُ الكلوريدِ السَّالبةُ Cl- إلى القطب الموجب وتتحول إلى الكلورِ وفْقَ المعادلةِ (5):

 

(5)                         a2aCl- (aq)  ® 2e- + Cl2(g)

- وعليه نستنتجُ أَنَّ " سريانَ التَّيارِ الكهربائيِّ في محلولِ المادَّةِ الأيونيَّةِ ( الكهرليَّةِ)، يؤَدي إلى حدوثِ تفاعلاتٍ على الأقطابِ".

 

3 . توصيلُ مصاهيرِِ المركَّباتِ للتيَّارِ الكهربائيِّ

 

    عرفْتَ أَنَّ بلوراتِ العديدِ من المركَّباتِ الصُّلبةِ تذوبُ في الماءِ وتتفكَّكُ الى:

1-  جزيئاتٍ غيرِ مشحونةِ، إذا كانَ المركَّبُ مادَّةً لا كهرلية مثلَ السُّكَّرِ.

2-  أيوناتٍ موجبةٍ، وأيوناتٍ سالبةٍ، إذا كانَ المركَّبُ مادَّةً كهرلية مثلَ كلوريدِ الصُّوديومِ NaCl، وكبريتاتِ البوتاسيوم K2SO4.

    هلْ هناكَ طَريقَةٌ أخرى لتفكيكِ هذه المركباتِ؟

   يمكنُ تفكيكِ بلّوراتِ المركَّباتِ الصُّلْبة بالتَّسخين إلى درجةِ الانْصهارِ. فعندَما تتحوَّلُ المادَّةُ اللاكهرلية الصُّلبةُ إلى مصهور، تتفكَّكُ إلى جزيئاتٍ متعادلةٍ، لذلكَ لايتوقَّعُ أَنْ يوصِلَ مصهورُ المادَّةِ اللاكهرلية التَّيارَ الكهربائيَّ ( لخلوِّهِ منَ الأيوناتِ المتحرِّكةِ)، لاحظ الشكل(7).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

أمَّا المادَّةُ الكهرلية، فإنّها عندَ انصهارها، تتفكَّكُ الى أيونات موجبة، وأيوناتٍ سالبةٍ، تتحرَّكُ في المصهورِ. لذلكَ يتوقَّعُ أَنْ يوصِلُ مصهورُ المادَّةِ الكهرلية التَّيارَ الكهربائيَّ، (لاحتوائهِ على أيوناتٍ متحرَّكةٍ)، لاحظ الشكل (8).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تَمْرينُ (3)  ادْرس الجَدْولَ (1) جيَّداً، واملأ الفراغات الموجودة فيه:

الجَدْولُ (1): نتائج سريانُ التيَّار ا لكهربائيّ في مصاهيرِ عددٍ منَ المركَّباتِ

الرابطةُ فيه تساهميةٌ

الرابطةُ فيه أيونيّةٌ

لاكهرل

كهْرل

يوصلُ الكهرباءَ

يضيءُ المصباحُ

         الملاحظةُ

المادَّة

المصهورةُ

 

 

C

 

 

Ö

كلوريدُ البوتاسيوم KCl

 

 

Ö

 

C

 

السكَّرُ C12H22O11

Ö

 

 

 

 

C

النفثالين C10H8

C

 

 

 

 

 

بروميدُ الرصاص PbBr2

 

Ö

 

 

 

 

يوديدُ الرصاص PbI2

 

 

 

C

 

 

الشَّمْعُ

 

 

C

 

 

 

يوديدُ الصُّوديوم NaI

 

 

4.اثرُ سريانِ التَّيارِ الكهربائيَّ في مصهورِ مادَّةٍ أيونيةٍ (كهرليًّةٍ)

 

    عَرفْتَ أَنَّ سريانَ التَّيار الكهربائيَّ في محلولِ مادَّةٍ كهرليَّةٍ يؤدِّي إلى حدوثِ تفاعلات على الأَقطابِ، ويَنْتُجُ عنْ ذلكَ ترسبٌ أَو تصاعدُ مادَّةِ / موادَّ عليها. ماذا تتوقَّعُ أَن يحدثَ على الأقطابِ، عندَ سريانِ تيَّار كهربائي في مصهورٍ مادَّة كهرليَّةٍ؟ هلْ ستحدثُ تفاعلاتٌ كتلكَ التَّي تحدثُ عند سريان التَّيار الكهربائيِّ في محلولِ المادَّةِ الكهرليةِ؟ لكي تجيبَ عنْ هذَيْنِ السؤالَيْن، ادْرسِ الجدولَ (2)، وأجِب عن الأسئلةِ الّتي تليه:

 

الجدولُ(2): نتائجُ سريانِ التَّيارِ الكهربائيِّ في مصهورِ بعْضِ الموادِّ الكهرليَّةِ

 

الملاحظُ على القطبِ الموجبِ

الملاحظُ على القطبِ السَّالبِ

المصهورُ

بخارٌ بنفسجيُّ اللَّونِ هوَ اليودُ

سائلٌ فضِّيُّ اللَّون، يتصلَّبُ بالتبريدِ، هوَ البوتاسيوم

يوديدُ البوتاسيومKI

غازٌ أحمرُ برتقاليٌّ ذو رائحةٍ غير جيِّدةٍ يتكثَّفُ إلى سائلِ هوَ البروم

سائلٌ فضِّيًّ اللَّونِ، يتصلَّبُ بالتبريدِ، هوَ الرصاصُ

بروميدُ الرَّصاصِ PbBr2

غازٌ أخضرُ باهتٌ، لَهُ رائحةُ الكلوركس، هوَ الكلور

سائلٌ فضِّيًّ اللَّونِ، يتصلَّبُ بالتبريدِ، هوَ الكالسيوم

كلوريدُ الكالسيوم CaCl2

 

 على ماذا تدلُّكَ المعلوماتُ الموجودةُ في الجَدْولِِ (2)؟ كيفَ تفسِّرُ ظهورَ الموادِّ الصُّلبةِ والغازيَّةِ على الأقْطابِ؟

    تدلُّ البياناتُ المعطاةُ في الجَدْولِ (2) على حدوثِ تفاعلاتٍ على الأَقْطابِ، عندَ سريانِ تَّيارٍ كهربائي في مصهورٍ المادَّةِ الكهرليَّةِ، ويمكنُ توضيحُ ذلكَ كَما يَلي:

-    تتفكَّكُ المادَّةُ الأيونيَّةُ ( الكهرَليَّةُ) نتيجةً لانْصهارِها إلى أيوناتٍ موجبَةٍ، وأُخرى سالبَةٍ.

-    تتَّجهُ الأيوناتُ الموجبةُ إلى القطبِ السَّالبِ، حيثُ تتعادلُ نتيجةً لاكتِسابِها إلكتروناتٍ ( أي تُختزَلُ).

-    تتَّجهُ الأيوناتِ السَّالبةُ إلى القطبِ الموجبِ، حيثُ تتعادلُ نتيجةُ لفَقْدِها إلكتروناتٍ ( أي تتأَكْسدُ).

   ويمكنُ تلخيصُ التفاعلاتِ الَّتي تحدثُ على الأقطابِ عندَ سريانِ التَّيارِ الكهربائيِّ في مصهورِ كلٍّ منْ يوديدِ البُوتاسيوم KI ، وبروميدِ الرصاص PbBr2 بالجدولِ (3):

 

الجدولُ (3): التفاعلاتُ التي تحدثُ على الأَقطابِ لدى سريانِ التَّيارِ الكهربائيِّ في مصهورِ كلٍّ منْ، يوديدِ البوتاسيومِ، وبروميدِ الرَّصاص

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5- الكيمياء الكهربائيَّةُ والمجتمعُ

 

 5.1. الطِّلاءُ بالكهرباءِ

 

اعتاد الناسُ منذُ القِدم أَنْ يطلُوا أدواتِهم الفلزية لأَسباب عديدة. وفي هذه الأَيامِ تُستَخْدَمُ الكهرباءُ في عمليّات الطِّلاء، كطلاء السّياراتِ، والماكناتِ، والأَدواتِ المنزلَّيةِ وغيرها. بطبقَة رقيقَة من فلزٍّ آخرَ، لحمايتِها من الصدأ وإكسابِها مظهراً جميلاً، كَما هوَ الحالُ عندَ الطّلاءِ بالكرومِ أو الفضّة. وأحياناً تُطلْى الموادُ لإكسابَها صفات مرغوبةً مثلَ زيادةِ الصَّلابةِ، والمغناطيسَّية المرغوبةِ.

أنَّ مبدأ عملية الطِّلاءِ بسيطٌ، ويتَمَثَّلُ في اختِزالِ أيوناتِ مادَّةِ الطِّلاءِ وترسيبِها على المادَّةِ التي نريدُ طِلاءها ،وتتم هذه العمليَّة بالخطواتَ التالية :

أ- بناءُ خليَّة كهرليه يُوضعُ فيها محلولٌ مائيٌّ ، لملْحٍ (أو أكثر) منْ أَملاحِ الفلزِّ الذي سنَطْلِي بِه.

ب- تنظيفُ الأداةِ التي نريدُ طلائها ، وتوصيلِها بالقطْبِ السَّالبِ في الخَلَّيةِ .

ج-  يفضل أن يكون القطب الموجب للخلية ،مصنوعاً من مادة الفلز الذي سنطلي به .

د-  تمريرُ تيَّارٍ كهربائيٍّ مناسبٍ في الخلَّية، لمدَّةٍ مناسبةٍ كافيةٍ لإتمامِ عمليةِ الطِّلاءِ .

 

 

الآنَ أجبْ عن الأسئلةِ التَّالية:

 

 

 

1 - إذا أردْت طلاءَ خاتَمٍ فلزِّي بالفضَّةِ، فما المحلولُ الكهرليُّ المناسب لذلك؟

2 - قبلَ طلاء قطْعة منَ الحديد، يُنصحُ بغَمْسها في محلولٍ مخفَّفٍ لحمضِ الهيدروكلوريك. لماذا؟

3 - اذكرْ تطَبيقَاتٍ أُخرى على تمرير التّيارِ الكهربائيِّ في المحاليلِ الكهرلَّيةِ.

 

 

5.2 استخلاص الفلزات من خاماتـها

 

     توجدُ معظمُ الفلزَّاتِ في الطَّبيعةِ متَّحدةً معَ غيرِها على شكْلِ مركَّبات في الصُّخور المكوَّنةِ للقشْرةِ الأَرضيَّة ، وعندَما يحوي الصَخَّرُ كميةً كافيةً من مركَّبَاتِ الفلزِّ بحيثُ تجعلُ استخلاصَهُ مُجدياً منَ النَّاحِيِة الاقتصاديةِ ، فإن هذا الصَّخرَ يُدعى خاماً، إلا أن الفلزَّاتِ الموجودةَ في أسفل سلسلةِ النَّشاطِ، مثلَ الذهَبَ والفضَّةِ والنُّحاسِ ، يمكن أنْ تُوجدَ حُرَّةً في الطّبيعةِ إضافةً إلى وجودها على شَكْلِ مركَّباتٍ . ويبين الشكل (9) بعض خامات الفلزات .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

والفِكْرةُ الرئيسةُ في استخْلاصِ الفلزِّ منْ مركَّباتِه هيَ اختزالُ أيوناتِهِ بوساطةِ ذرَّاتِ فلزِّ آخرَ أنشطَ منهُ (أيْ يقعُ فَوقَهُ في سلسلةِ النَّشاطِ).

وحتى تكونَ هذه العمليَّةُ مجْديةً اقتصادياً ، يُشتَرطُ  أنْ يكون الفلزُّ النشيطُ هذا رخيصَ الثمنِ أو أرخصَ من الفلزِّ المراد استخلاصُهُ. فمثلاً رغم أن الألومنيوم يختزلُ أَيوناتِ الحديدِ ويطرُده من مركّباته، كما درست في تفاعل الثيرميت : طاقة + a2Fe(l) + Al2O3(s) Ò Fe2O3(s) + a2Al(s)، ألا أن الألومنيوم أغلى ثمناً من الحديد ، مما يجعل عملية استخلاص الحديد بهذه الطريقة ،غير  مجدية اقتصادياً ،ويستخدم بدلاً من الألومنيوم الغرافيتُ الرخيصُ الثَّمَنِ الذي يستخدمُ أيضاً في اختزالِ أكاسيدِ فلزَّات عديدةٍ أُخرى . ويتضحُ مِمَّا تقدَّمَ أن الطريقَةَ المستخدمةَ في استِخراجِ الفلزَّاتِ منْ مركَّباتِها تتحَّددُ بعاملينِ هُما :

أ - موقعُ الفِلزِّ في سلسلةٍ النَّشاطِ .

ب - الكُلفةُ الاقتصاديةُ لهذهِ الطريقةِ.

   يلخص الجدول (4) طرق استخلاص بعضِ الفلزَّاتِ من مركَّباتِها .

 

الجدولُ(4): طرقُ استِخراجِ بعضِ الفلزَّتِ من خاماتِها

 

طريقةُ الاستخلاص

الفِلزُّ

التحليلُ الكهربائيُّ لمصاهيرِ أَملاحِها مثلِ الكلوريداتِ

بوتاسيوم

صوديوم

ليثيوم

كالسيوم

مغنيسيوم

التحليلُ الكهربائيُّ لمصهور الأَكسيدِ اللامائيِّ

ألومنيوم

تحميصُ الكلوريداتِ لتعطيَ أكاسيدَ تختزلُ بوساطةِ الكربونِ

خارصين

حديد

رصاص

التفكيكُ الحراريُّ لكبريتيدِ النُّحاسِ بوجودِ الأكسجين

نحاس

توجدُ حرَّةً في الطبيعةِ وتستخلص بالفَصْلِ الميكانيكيِّ

فضة

ذهب

 

    دَعنْا ندرسْ كيفيَّةَ استِخلاصِ كلٍّ منَ الصوديومِ والنّحاسِ مِنْ مركّباتِهمِا.

 

أ. استخلاص الصوديوم

 

       يوجدُ كلوريدُ الصُّوديوم في الأردنِّ في منطقة الأزرقِ على شكل صخور ملحية ،كما يوجد مذاباً في مياه البحر الميِّت ، وهوَ من النّواتجِ الثّانويَّةِ ( لكن بكميات كبيرة ) في مشروعِ استخلاصِ البُوتاسِ الذي تنفِّذُهُ شركَةُ البُوتاسِ الأردنيَّةُ .

       يستخلص الصوديومُ بالتَّحليلِ الكهرُبائيِّ لمصهورِ كلوريدهِ باستخدامِ خليَّة داونز المبيَّنة في الشَّكل (10) . حيثُ يخلطُ كلوريدُ الصوديوم الذي ينصهرُ على درجة °800 س مع كلوريدِ الكالسيومِ لخفضِ درجةِ انصهارهِ إلى °580 س .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

وعندَما يَسْري التَّيارُ الكهربائيُّ في مصهورِ كلوريدِ الصُّوديومِ ، تَتَّجهُ الأيونات نَحْوَ الأَقطابِ المغايرةِ لَها في الشِّحْنةِ حيثُ تحدثُ التفاعلاتُ التِّاليةُ :

 

1-  اختِزالُ أيوناتِ الصوديوم على القطبِ السَّالبِ : 

                                 Na (I)   ®   - Na+(I)+ e

 

         أنَّ سائلَ الصُّوديوم الناتجَ أقلُّ كثافةً منَ المصهورِ المحتوي على كلوريد الصوديوم، لذا فأنَّه يطْفُو على السَّطْحِ، ويرتفِعُ في الأُنبوبِ العمودِيِّ الَّذي يصلُ الى الخزَّانِ الَّذي يتجمَّعُ فيه الصُّوديومُ، ويُسْحبُ منهُ دَوْرِيَّاً

 

2-  تأكْسدُ أيوناتِ الكلوريدِ على القطبِ الموجبِ :

                              CI2(g)+ 2e -  ®   2Cl -(I)

 

          يتصاعَدُ غازُ الكلورِ عَلى شَكْلِ فُقّاعاتِ، ويخرجُ بوساطَةِ أنبوبٍ إلى خَارجِ الخَلَّيةِ .

يجبُ أنْ يُعْزَلَ الصُّوديومُ عن الكلورِ لمَنْعِ العُنْصرَين منَ الاتِّحاد، وتكوينِ كلوريدِ الصوديوم مرَّةً أُخرى، ويتمُّ هذا العزل بوساطَةِ الشَّاشةِ الفولاذيَّةِ المثقَّبةِ الموجودةِ بَينَ القُطْبَيْنِ .

 

ب. استِخلاصُ النحاسِ

 

   النُّحاسُ واحدٌ منْ أقدمَ الفِلزَّاتِ الَّتي تمَّ اكتِشافُها، فَقَدْ تَمَّ اكتشافُهُ منذ 6000عام، ويْعْتقدُ بأنَّ النُّحاسَ كانََ معروفاً في الأردنِّ منذُ أزمانٍ بعيدَة تصلُ إلى ثلاثةِ آلافِ سَنَةٍ قبلَ الميلادِ. وقَدْ دلَّتِ الاكتشافاتُ الحديثةُ على وجودِ خاماتِ النُّحاسِ في عدَّةِ مناطِقَ على جانبَيْ وادِي عرَبَةَ، ومن أهَمِّ هذهِ المناطقِ: فيفانُ، وخربةُ النُّحاسِ، وأمُّ العَمدِ، وبيرمدْكُور. وقُدِّر الاحتياطيُّ الأَوَّليّ منْ خاماتَ النُّحاسِ في هذهِ المناطقِ بما يقربُ 200 مليونِ طنٍ، ومركَّباتِ خامِ النُّحاسِ هيَ الملاكيتُ Cu2CO3(OH)2 والكرايزوكولا Cu4H4Si4O10(OH)8 والأزيوريتCu3(CO3)2(OH)2 , وبايريت النُّحاسِ ( CuFeS2 ) بالإضافَةِ إلى بعضِ مركَّباتِهِ الأُخْرى.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 وبما أَنَّ النُّحاسَ يقعُ في الطَّرف الأَسفلِ منْ سلسلةِ النَّشاطِ، لذا يمكنُ الحُصولُ عَلْيه بالتَّفكيكِ الحراريِّ لبايريت النُّحاسِ بوجود الأكسجينَ، ودونَ اللجوءِ إلى استِخدامِ عاملٍ مختزلٍ. هذا وتنفَّذُ عمليَّةُ استِخلاصِ النُّحاسِ وفقَ المراحلِ المبيِّنةِ بالجدولِ التَّالي:

 

التحليلُ الكهربائيُّ

البسمرةُ

التحميصُ والصهرُ

التَّركيزُ

التعدينُ والطَّحنُ

 

إزالةُ الشوائبِ التي تبلغُ نســبــتُهـا 2-3% عنْ طريقِ التحليلِ الكهربائيِّ

 

معالجة كبريتيد النحـــاس (I) المنصهر بوساطةِ تيارِ هواءٍ ساخنٍ وتحوِّلهُ إلى نحاسٍ

 

تمريرُ تيارٍ هوائيٍّ درجةُ حرارتِهِ منخفِضَةٌ، فيتحوَّلُ البايريتَ إلى مزيجٍ من كبريتيدِ النُّحاس (I) وأكسيد الحديدِ (II)

a2CuFeS2+4O2®2FeO +a 3SO2 +Cu2Sa

ثم مزج الخليط بالسليكا SiO2 في درجة حرارة أعلى من السابقة، فيتفاعل أكسيد الحديد (II) مع السليكا مكوناً الخبث الذي يطفو على السطح ثم يزال الخبث.

Fe + SiO2 ® FeSiO3

         الخبث

 

إضافةُ الماءِ وزيتِ الصنوبَر وتمريرُ تيارٍ هوائيٍّ فيطفو الخامُ المرطِّبُ بالزَّيتِ ويُجْمعُ، بينمَا تُرسَّبُ المادَّةُ الصخريَّةُ المرطَّبةُ بالماءِ في الأَسفلِ.

 

 

استخراجُ المعدنِ وتكسيرهُ

 

        تبلغُ نسبةُ الشوائبِ الموجودةِ في النُّحاسِ الناتجِ منْ هذهِ العملياتِ ما بينَ 2-3%، وتجعلُ هذه الشوائبُ النُّحاسَ غيرَ ملائم للاستَعمالِ، لذَا فإن النُّحاسَ المحضَّرَ بهذهِ الطَّريقَةِ يجبُ إَنْ يُنقَّى، ويتمُّ ذلكَ بِطريقةِ التحليلِ التحليلِ الكهربائيِّ.

      حيثُ تَعْلق قطعةِ النّحاسِ غير النقي بالقُطبِ الموجبِ، بينَما يُعَلَّق قضيبٌ رفيعٌ منَ النُّحاسِ النَّقيِّ بالقطبِ السَّالب، ثُمَّ يُغمس كلٌّ منَ القطعة والقضيبِ في محلولٍ كهرليٍّ يتكوَّنُ منْ محلولِ كبريتاتِ النُّحاسِ (II) وحمضِ الكبريتيك انظر الشكل(12).

      يحتوي المحلولُ المائيُّ لكبريتات النُّحاسِ (II) على أَيوناتِ النُّحاس الموجَبةِ (Cu2+)، وأيوناتِ الكبريتاتِ السَّالبةِ (SO42-). وعندَما يسري التَّيارُ الكهربائيُّ، تتَّجهُ هذه الأيوناتُ إلى الأقطابِ المغايرةِ لَها في الشحْنةِ.

     حيثُ تحدثُ التفاعلاتُ التَّاليةُ:

أ‌- اختزالُ أيوناتِ النحاسِ على القطبِ السالبِ: Cu2+(aq) +2e-  ® Cu(s)

ب‌- تَأكْسُدُ النحاسِ على القطبِ الموجبِ:           Cu(s) ® Cu2+(aq) +2e-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       أما الفلزَّاتُ الأقلُّ نشاطاً من النُّحاسِ مثلُ، الذَّهبِ والفضَّةِ والَّتي تكونُ مختلطةً به، فإنَّها تترسَّبُ في أسفل وعاء التحليل كَوَحلِ. وتكونُ كميةُ هذه الفلزِّاتِ الثمينةِ كافيةً تقريباً لتغطيةِ كُلفةِ التَّنْقيةِ. هذا وتبلغُ نقاوةُ النُّحاسِ الناتجِ من عمليَّةِ التنقيَةِ منْ 99.96% - 99.99%.

 

 

    الخلاصةُ:

 

1-  تُقسمُ المركَّباتُ منْ حيثُ توصيلُها الكهربائي إِلى:

أ‌-  مركَّبات كهرليَّةٍ، وهيَ مركباتٌ توصِلُ مصهوراتُها أو محاليُلها المائيَّةُ التَّيارَ الكهربائيَّ.

ب‌- مركَّباتٍ لا كهرليَّةٍ، وهيَ مركباتٌ لا توصِلُ التَّيارَ الكهربائيَّ، سواءٌ أكانتْ صُلبةً أم مصهورةً أم ذائبةً في المحلولِ.

2-  توجدُ المركَّباتُ الكهرلية في الحالة الصُّلْبة على شكل بلّوراتٍ أيونية، وتتكوَّنُ الواحدةُ من أيوناتٍ ( موجبةٍ، وسالبة) وفقَ ترتيب معيَّن، ولكلِّ مادَّة كهرليةٍ شكلٌ بلّوريٌّ خاصٌّ بها.

3-  توجَدُ المركَّباتُ اللاكهرليَّة على شكلِ جزيئاتِ، سواءٌ أَكانتْ في الحالةِ الصُّلبةِ أم السَّائلةِ أم الغازيَّةِ.

4-  يوصلُ مصهورُ المادَّةِ الكهرليَّةِ، وكذلكَ محلولُها المائيُّ، التَّيارَ الكهربائيَّ بسبب وجود الأيوناتِ المتحرِّكة في كلٍّ منْهُما. أمّا المادَّةُ الأيونيَّةُ الصُّلْبةُ ومصهور المادَّةِ اللاكهرليَّةِ، ومحلولها المائيُّ، فلا توصَلُ التَّيارَ الكهربائيَّ لخلوِّها منَ الأيونات المتحركةِ.

5-  يرافقُ سريانَ التَّيار الكهربائيِّ مصهورِ المادَّةِ الكهرليةِ، أو محلولِها المائيِّ، تفاعلاتٌ كيميائيَّةٌ على الأقطابِ (تأكسدٌ على القطبِ الموجبِ، واختزالٌ على القطبِ السّالبِ)، مما يَؤدِّي إلى تصاعدِ غازاتٍ أو ترسُّبِ موادَّ على القطبَينِ.

6-  عندَ الطّلاءِ بالكهرباءِ، يُراعَى ما يَلي:

‌أ-   وضعُ  الجسمِ الَّذي نريدُ أَنْ نطليَهُ، قطباً سالباً، في الخليَّةِ الكهرليَّةِ.

‌ب- يكونُ المحلولُ الكَهْرليُّ المستخدَمُ في الخليَّةِ لأحدِ أَمْلاحِ مادَّةِ الطِّلاءِ.

‌ج-  يُشْتَرَطُ أَنْ تكونَ أيوناتُ مادَّةِ الطِّلاءِ لفلزٍّ غيرِ نَشِطٍ (أيْ سهلةِ الاختزالِ).

7-  تَعْتَمِدُ الطريقةَ الكيميائيَّةُ المستَخَدمَةُ في استخراجِ الفلِّز منْ خاماتِه، على موقِعِ الفلزِّ في سلسلةِ النَّشاطِ.

8-  تُستخرَجُ الفلزَّاتُ الموجودةُ في أَعلى سلسلةِ النَّشاطِ حتَّى الألومنيوم ( البُوتاسيوم والصّوديوم واللِّيثيوم والكالسيوم والمَغْنيسيوم) بالتّحليلِ الكهربائيِّ لمصهوراتِ كلوريداتِها أو لمصهوراتِ أكاسيدِها ( الألومنيوم).

9-  تُستخرَجُ الفلزَّاتُ المتوسطةُ في سلسلةِ النَّشاطِ باختزالِها منْ مركّباتها بوساطَةِ الكربونِ (الخارصينِ، والحديدِ، والرَّصاصِ).

10- تُستخرَجُ الفلزَّاتُ الموجودَةُ في أَسْفلِ سِلسلةِ النَّشاطِ، بالتَّفكيكِ الحراريِّ لمركَّباتِها، وبوجودِ الأكسجينِ مثلِ النُّحاسِ.

11- عندَ تحضيرِ الصُّوديوم في خليَّةِ داونزَ، يُجَمَّعُ الصُّوديومُ فوقَ القطبِ السَّالبِ، في حينٍ يُجَمَّعُ غازُ الكلورِ فوقَ القطبِ الموجب.

12- يُستَخْرَجُ النُّحاسُ بعمليَّتينِ هُما:

أ‌-  فيزيائيَّةٌ: وتشملُ جمعَ الخامِ، وسحقَهُ، وتركيزَهُ بالطَّفوِ الرَّغويِّ.

ب‌- كيميائيَّةٌ: وتشملُ التحميصَ والصَّهرَ، والمعالجةَ بالهواءِ السَّاخنِ.

 

 

 

 

أسئلة الفصل

 

 

 

1-                وضِّحِ المقصودَ بالمادَّةِ الكهرليَّةِ والمادَّةِ اللاكهرليَّةِ.

2-       فسِّر، لماذا يستطيعُ مصهورُ ملحِ كلوريدِ النُّحاسِ (CuCl2(II توصيلَ التَّيارِ الكهربائيِّ، بينَما لا يستطيعُ مصهور سكر المائدة ذلكَ؟

3-                قارِنْ بَيْنَ الشَّمع وبروميدِ الرَّصاص PbBr2 من حيثُ:

أ - وحدةُ بناءِ كلٍّ منْهُما في الحالةِ الصُّلبةِ.

ب - مكوِّناتُ مصهور كلٍّ منهُما.

جـ - قدرةُ مصهورِ كلٍّ مِنْهُما، على توصيلِ التَّيارِ الكهرُبائيِّ.

4-       اكتبْ معادلاتٍ تمثِّلُ التفاعلاتِ الَّتي تحدثُ على الأقطابِ لدى مرورِ التَّيارِ الكهربائيِّ في:

أ- محلول KBr(aq)              ب- مصهورِ KBr(I)

 

5-       صمِّمْ تجرِبَةً لطلاءِ خاتَمٍ فلزي بالفضَّةِ. ارسُمِ الجِهازَ الَّذي تقترحُه، اكتبْ أسماءَ الموادَّ، والأدواتِ اللازِمَةِ.

 

 

 

 

 

أسئلةٌ عامةٌ على الوحدةِ

 

 

 

1 - عرِّفْ كلاًّ من المفاهيمِ والمصطلحاتِ التَّاليةِ: مادَّةٌ كهرليّةٌ، مادَّةٌ لا كهرليةُ، تفاعلٌ كيميائيٌّ، خليةٌ كهركيميائيةٌ، سلسلةُ النَّشاطِ الكيميائيِّ.

2 - تمعَّن في الخلية الكهركيميائيَّةِ المبيَّنةِ في الشَّكْلِ رقم (13)، وأجبْ عمَّا يَلي:

أ - أيُّ القطبَيْن تأكْسدَ؟

ب - أيُّ الفلزَّيْن يقعُ فوقَ الآخر، في سلسلةِ النَِّشاطِ الكيميائيِّ؟

ج - أيُّ الفلزَّيْنِ A أم M يدخُلُ في تكوينِ الملْحِ؟

د - إذا كانَ الملحُ X أحدَ الكلوريداتِ وكلٌّ مِنْ A , M أُحاديَّ التَّكافوءِ. اكتُبِ الصِّيغَةَ الممثِّلَة للمِلْحِ X ، ثمَّ اكتبِ التَّفاعلاتِ الحادثَةَ على القُطْبَيْنِ في الخليَّةِ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 - إذا علمْتَ أنَّ الخامَ الرئيسَ للنُّحاسَ في الأُردنِّ، هو خامُ الملاكيت Cu2CO3(OH)2 ، اقترحْ طريقَةً لاستِخلاصِ النُّحاسِ في الأُردنِّ منْ هذا الخامِ.

4 - أ- أيُّ الجِهازَيْنِ المبيَّنَيْنِ في الشَّكلِ (14) يمثِّلُ خليَّةَ وقودٍ.

ب- حدِّدْ مادَّةَ الوقودِ، والعامِلَ المؤَكْسدِ في الخليَّةِ.