تطبيقات التحليل الكهربي: الطلاء واستخلاص الألومنيوم وتنقية الفلزات
درس تطبيقات التحليل الكهربي: الطلاء الكهربي، واستخلاص الألومنيوم، وتنقية الفلزات. وفي صفحة الأسئلة تجد باقي الدرس.
الطلاء الكهربي
نغطي سطح فلز بطبقة رقيقة من فلز آخر لحمايته من التآكل أو لإعطائه مظهرًا جذابًا أو لرفع قيمته الاقتصادية :
- الذهب والفضة : مظهر براق وارتفاع القيمة.
- الكروم : لمعان وحماية من الصدأ.
- الخارصين : حماية الحديد من الصدأ.
اعرض الحل
الفضة تُطلى من محلول ملح فضة ذائب مثل AgNO₃.
كربونات الفضة لا تذوب فى الماء فلا توجد أيونات Ag⁺ تترسب على الملعقة ، فلا يتم الطلاء.
الإجابة (ج).
مكونات خلية الطلاء
- الكاثود : الجسم المراد طلاؤه (متصل بالقطب السالب) ، ويحدث عنده اختزال أيونات فلز الطلاء.
- الأنود : قطعة من فلز الطلاء (متصل بالقطب الموجب) ، ويتأكسد فتقل كتلته.
- الإلكتروليت : محلول ملح قابل للذوبان لفلز الطلاء ، فلا يتم الطلاء بملح غير ذائب مثل الكربونات.
- يجب أن يغمر الإلكتروليت الجسم المراد طلاؤه كله.
اعرض الحل
الأنود هو النيكل والكاثود هى الملعقة ، والإلكتروليت من ملح النيكل ، فالتوصيل صحيح.
الملعقة لا تغمر كلها فى المحلول (جزء منها خارج السطح).
يجب زيادة حجم الإلكتروليت لتغمر الملعقة كلها فيتم الطلاء كاملًا.
الإجابة (ج).
لأن الأنود من فلز الطلاء نفسه ، فإن ما يذوب منه يساوي ما يترسب على الكاثود ، فيظل تركيز أيونات الفلز في الإلكتروليت ثابتًا :
اعرض الحل
الأنود من الذهب فيذوب منه ما يعادل ما يترسب على الكاثود.
فيظل تركيز Au³⁺ ثابتًا مع الزمن (خط أفقى).
الإجابة (أ).
كتلة الطلاء المترسبة
كتلة الطلاء = (I × t ÷ 96500) × (الكتلة الذرية ÷ التكافؤ).
اعرض الحل
Q = I × t = 3 × 3600 = 10800 C
عدد مولات الإلكترونات = 10800 ÷ 96500 = 0.112 mol
كتلة الفضة المترسبة = 0.112 × 108 = 12.09 g
الأنود من الفضة فيظل تركيز أيونات Ag⁺ ثابتًا.
الإجابة (ب).
استخلاص الألومنيوم من البوكسيت
- الخام : البوكسيت Al₂O₃·xH₂O ، ويُستخلص الألومنيوم منه بالتحليل الكهربي لمصهور Al₂O₃.
- الكريوليت Na₃AlF₆ يُذيب أكسيد الألومنيوم ويزيد توصيله للكهرباء ، ويُضاف معه الفلورسبار CaF₂ لخفض درجة الانصهار إلى نحو 950°C.
- الكاثود (بطانة الخلية من الجرافيت) : Al³⁺ + 3e⁻ → Al ، ويتجمع الألومنيوم المصهور أسفل الخلية لأنه أكثر كثافة.
- الأنود (قضبان الجرافيت) : 2O²⁻ → O₂ + 4e⁻ ، ويتفاعل الأكسجين مع الجرافيت فيتكون CO₂ فيتآكل الأنود ويُستبدل من وقت لآخر.
- يلزم 3 F لكل 1 mol من الألومنيوم.
اعرض الحل
الكريوليت يُذيب أكسيد الألومنيوم ويزيد توصيله الكهربى لأن أكسيد الألومنيوم المصهور ضعيف التوصيل للكهرباء.
الإجابة (ب).
وللتعرف على أجزاء الخلية وتحديد موضع الألومنيوم المصهور وقطب الجرافيت الذي يتآكل:
اعرض الحل
(١) (Y) ، لأن كثافة مصهور الألومنيوم أكبر من كثافة مصهور الإلكتروليت (مصهور البوكسيت فى الكريوليت) فيستقر أسفل الخلية.
(٢) (Z) ، لأن أقطاب جرافيت الأنود تتآكل نتيجة تفاعلها مع الأكسجين المتصاعد من عملية الأكسدة مكونة غازى أول وثانى أكسيد الكربون.
تنقية النحاس
- الأنود : نحاس غير نقي ، الكاثود : نحاس نقي ، الإلكتروليت : محلول CuSO₄ المحمض.
- عند الأنود يتأكسد النحاس فيتآكل : Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ ، وعند الكاثود يترسب نحاس نقي : Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
- تركيز Cu²⁺ في المحلول يظل ثابتًا تقريبًا.
اعرض الحل
الشوائب تترسب أسفل الأنود ، والأنود يتآكل ويذوب منه النحاس.
أيونات Cu²⁺ تتحرك من الأنود إلى الكاثود فيترسب النحاس النقى على الكاثود.
وهذا ما يوضحه الشكل (ج).
الإجابة (ج).
- الشوائب الأقل نشاطًا من النحاس (Ag ، Au ، Pt) لا تتأكسد وتسقط أسفل الأنود على صورة طمي.
- الشوائب الأنشط (Zn ، Fe ، Ni) تتأكسد وتذوب في المحلول كأيونات ولا تترسب على الكاثود.
- بمرور الوقت تقل كتلة الأنود وتزداد كتلة الكاثود وحجمه.
اعرض الحل
فى التنقية يتآكل الأنود وتتجمع الشوائب أسفله.
الكاثود يترسب عليه نحاس نقى فتزداد كتلته ويكبر حجمه.
الخطأ فى الشكل أن حجم القطب (−) لم يزد.
الإجابة (ج).
تنقية الفضة وفلزات أخرى
نفس مبدأ تنقية النحاس : الأنود هو الفلز غير النقي والكاثود هو الفلز النقي والإلكتروليت محلول ملح الفلز. فعند تنقية الفضة التي بها شوائب Fe و Au يتأكسد منها Fe و Ag ويسقط الذهب أسفل الأنود:
اعرض الحل
الأنود (القطب الموجب) هو ساق الفضة غير النقى فتتأكسد منه Fe و Ag.
الذهب أقل نشاطًا فلا يتأكسد ويترسب أسفل الأنود.
عند الكاثود تختزل أيونات Ag⁺.
الإجابة (ج).
وعند تنقية نحاس به شوائب من فلزات أنشط وأقل نشاطًا ، يتأكسد النحاس والفلزات الأنشط ويترسب النحاس النقي عند الكاثود:
اعرض الحل
القطب الأيسر (النحاس غير النقى) متصل بالقطب الموجب (الخط الطويل) فهو الأنود.
Cu و Zn يتأكسدان (أنشط من الفضة والذهب) ، أما Ag و Au فيترسبان أسفل الأنود.
عند الكاثود (الحديد) : Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu فتزداد كتلته.
يذوب خارصين مع النحاس فيقل تركيز Cu²⁺ فى المحلول.
الإجابة (د).