📄 النص الكامل للصفحة
يحتوي النحاس المستخلص من هذه العملية على الكثير من الشوائب، ومن ثم يلزم تنقيته. لذا يصب مصهور النحاس في قوالب كبيرة وسميكة تستعمل مصاعد في خلية تحليل كهربائي تحتوي على محلول كبريتات النحاس II. أما كاثود الخلية فهو شريحة رقيقة من النحاس النقي. وتتأكسد ذرات النحاس غير النقي على الأنود وتطلق أيونات النحاس خلال التيار الكهربائي في الخلية إلى أيونات النحاس II. وتنتقل أيونات النحاس خلال المحلول إلى الكاثود؛ حيث يتم اختزالها إلى ذرات النحاس مرة أخرى، وتصبح هذه الذرات جزءًا من الكاثود، في حين تترسب الشوائب في قاع الخلية.
يمكن طلاء الأشياء كهربائيًا بفلز مثل الفضة بطريقة تشبه طريقة تنقية النحاس؛ حيث يوصل الجسم المراد طلاؤه بالفضة بكاثود خلية تحليل كهربائي، ويكون الأنود عبارة عن قطعة فضة نقية، كما في الشكل 4-23. فتتأكسد الفضة عند الأنود إلى أيونات الفضة عند انتزاع الإلكترونات منها بواسطة مصدر الطاقة. وتختزل عند الكاثود أيونات الفضة إلى فلز الفضة بواسطة إلكترونات من مصدر الطاقة الخارجي، فتتكون الفضة طبقة رقيقة تغلف الجسم. لذا يجب مراقبة شدة التيار المار في الخلية والتحكم فيها للحصول على طبقة تغليف فلزية ناعمة ومتساوية. وتستعمل فلزات أخرى للطلاء الكهربائي. ولعل المجوهرات المطلية بالذهب تكون مألوفة لديك، وقد تعجب بسيارة طليت أجزاؤها الفولاذية - مثل ماصات الصدمات - لتكون مقاومة للتآكل؛ حيث تطلى بالنيكل أولاً ثم بالكروم.
--- SECTION: الخلاصة ---
يسبب مصدر خارجي للطاقة في خلية التحليل الكهربائي حدوث تفاعل أكسدة واختزال غير تلقائي.
ينتج التحليل الكهربائي لمصهور كلوريد الصوديوم فلز الصوديوم وغاز الكلور، في حين ينتج التحليل الكهربائي لماء البحر غاز الكلور والهيدروجين وهيدروكسيد الصوديوم.
يتم تنقية الفلزات ومنها النحاس في خلايا التحليل الكهربائي.
يستعمل التحليل الكهربائي في طلاء الأجسام والأشياء وإنتاج الألومنيوم النقي من خامه.
--- SECTION: 22 ---
الفكرة الرئيسة عرف التحليل الكهربائي، واربطه مع تلقائية تفاعل الأكسدة والاختزال.
--- SECTION: 23 ---
فسر اختلاف نواتج التحليل الكهربائي لكل من مصهور كلوريد الصوديوم وماء البحر.
--- SECTION: 24 ---
صف كيف تتم تنقية النحاس المستخرج من مصهور خامه بالتحليل الكهربائي؟
--- SECTION: 25 ---
فسر أهمية إعادة تدوير الألومنيوم، بالرجوع إلى عملية هول-هيرولت.
--- SECTION: 26 ---
صف الأنود والكاثود في خلية تحليل كهربائي يستعمل فيها الذهب لطلاء الأشياء والأجسام.
--- SECTION: 27 ---
فسر لماذا يحتاج إنتاج كيلوجرام واحد من أيونات الفضة بواسطة التحليل الكهربائي إلى طاقة كهربائية أقل من إنتاج كيلوجرام واحد من أيونات الألومنيوم؟
--- SECTION: 28 ---
احسب جهد خلية دان باستعمال الجدول 1-4، وهل يجب أن يكون هذا الجهد موجبًا أو سالبًا؟
--- SECTION: 29 ---
لخص اكتب فقرة تتعلق بكل هدف من الأهداف الثلاثة للقسم 3-4 بلغتك الخاصة.
وزارة التعليم
Ministry of Education
2025 - 1447
158
--- VISUAL CONTEXT ---
**DIAGRAM**: الشكل 4-23 هناك حاجة إلى الطاقة لتأكسد الفضة على الأنود واختزالها على الكاثود. وفي خلية التحليل الكهربائي المستعملة للطلاء بالفضة، يوضع الجسم أو الشيء المراد طلاؤه على الكاثود؛ حيث يتم اختزال أيونات الفضة في المحلول إلى ذرات الفضة، وتترسب على الجسم.
Description: A diagram illustrating an electroplating cell. It shows a battery (labeled '9 volt' and 'بطارية') connected to an anode and a cathode immersed in a solution. The anode is a silver (Ag) bar, and the cathode is the object to be plated (labeled 'كاثود'). The solution contains silver ions (Ag⁺) and nitrate ions (NO₃⁻). Arrows indicate electron flow (تدفق e⁻) from the anode, through the external circuit, to the cathode. Chemical equations are shown for the reactions at the anode (Ag → Ag⁺ + e⁻) and cathode (Ag⁺ + e⁻ → Ag).
Key Values: 9 volt
Context: This diagram visually explains the process of silver electroplating, detailing the components of an electrolytic cell, the direction of electron flow, and the oxidation-reduction reactions occurring at the anode and cathode, which require an external energy source.
✅ حلول أسئلة الكتاب الرسمية
عدد الأسئلة: 8
سؤال 22: الفكرة الرئيسة عرّف التحليل الكهربائي، واربطه مع تلقائية تفاعل الأكسدة والاختزال.
الإجابة: استخدام طاقة كهربائية لإحداث تفاعل أكسدة
واختزال غير تلقائي.
خطوات الحل:
- **الخطوة 1 (المفهوم):**
التحليل الكهربائي هو عملية كيميائية نستخدم فيها مصدرًا خارجيًا للتيار الكهربائي (مثل بطارية) لتسبب حدوث تفاعل كيميائي محدد.
- **الخطوة 2 (الربط مع التلقائية):**
تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية تحدث من تلقاء نفسها وتُنتج طاقة كهربائية (كما في الخلايا الجلفانية). أما في التحليل الكهربائي، فنحن نعكس العملية: نضخ طاقة كهربائية *لإجبار* تفاعل غير تلقائي على الحدوث.
- **الخطوة 3 (النتيجة):**
إذن، التحليل الكهربائي هو: **استخدام طاقة كهربائية لإحداث تفاعل أكسدة واختزال غير تلقائي**.
سؤال 23: فسّر اختلاف نواتج التحليل الكهربائي لكل من مصهور كلوريد الصوديوم وماء البحر.
الإجابة: س 23: مصهور NaCl:
ينتج صوديوم وكلور.
ماء البحر: ينتج هيدروجين
وكلور وهيدروكسيد
صوديوم.
خطوات الحل:
- **الخطوة 1 (المبدأ الأساسي):**
نواتج التحليل الكهربائي تعتمد على قابلية الأيونات للأكسدة أو الاختزال في الوسط المستخدم.
- **الخطوة 2 (تطبيق على مصهور NaCl):**
مصهور كلوريد الصوديوم (NaCl) يحتوي فقط على أيوني Na⁺ و Cl⁻. لا وجود للماء. لذا، عند الكاثود يتم اختزال أيونات Na⁺ إلى صوديوم فلزي (Na)، وعند الأنود تتأكسد أيونات Cl⁻ إلى غاز الكلور (Cl₂).
- **الخطوة 3 (تطبيق على ماء البحر):**
ماء البحر (محلول NaCl) يحتوي على الماء أيضًا (H₂O). أيونات الماء (H⁺) أسهل في الاختزال من أيونات الصوديوم. لذا، عند الكاثود يتم اختزال الماء لينتج غاز الهيدروجين (H₂) وأيونات OH⁻. عند الأنود، تتأكسد أيونات Cl⁻ لتعطي غاز الكلور (Cl₂). يتحد OH⁻ مع Na⁺ ليكون هيدروكسيد الصوديوم (NaOH).
لذلك الإجابة: **مصهور NaCl ينتج صوديوم وكلور، بينما ماء البحر ينتج هيدروجين وكلور وهيدروكسيد صوديوم**.
سؤال 24: صف كيف تتم تنقية النحاس المستخرج من مصهور خامه بالتحليل الكهربائي؟
الإجابة: س 24: الأنود: نحاس غير
نقي.
الكاثود: نحاس نقي.
الشوائب: تترسب.
خطوات الحل:
- **الخطوة 1 (المبدأ):**
يتم تنقية النحاس باستخدام خلية تحليل كهربائي يكون فيها النحاس غير النقي هو المصدر لأيونات النحاس (Cu²⁺).
- **الخطوة 2 (وصف العملية):**
- **الأنود (المصعد):** مصنوع من النحاس غير النقي (الخام).
- **الكاثود (المهبط):** مصنوع من شريحة رقيقة من النحاس النقي.
- **المحلول الكهربائي:** محلول يحتوي على أيونات النحاس (Cu²⁺) مثل كبريتات النحاس.
- **الخطوة 3 (ما يحدث):**
عند تمرير التيار الكهربائي:
1. عند الأنود: يتأكسد النحاس غير النقي إلى أيونات Cu²⁺ ويدخل المحلول.
2. عند الكاثود: تختزل أيونات Cu²⁺ من المحلول لتترسب على الكاثود على شكل نحاس نقي.
3. الشوائب الموجودة في الأنود (مثل الذهب والفضة) لا تذوب بل تترسب تحت الأنود كـ "طين أنودي".
إذن الإجابة: **الأنود: نحاس غير نقي. الكاثود: نحاس نقي. الشوائب: تترسب**.
سؤال 25: فسّر أهمية إعادة تدوير الألومنيوم، بالرجوع إلى عملية هول-هيروليت.
الإجابة: س 25: لأن إنتاجه من الخام
يستهلك طاقة كهربائية
هائلة وتكلفة عالية.
خطوات الحل:
- **الخطوة 1 (عملية الإنتاج):**
يُستخرج الألومنيوم من خام البوكسيت عبر عملية تسمى هول-هيروليت، والتي تتضمن التحليل الكهربائي لمصهور الألومينا (Al₂O₃) المذاب في الكريوليت.
- **الخطوة 2 (مشكلة الطاقة):**
هذه العملية تتطلب درجات حرارة عالية جدًا (حوالي 950°C) وكمية هائلة من الطاقة الكهربائية لإذابة الخام ولإجراء التحليل الكهربائي نفسه. هذا يجعل إنتاج الألومنيوم الجديد مكلفًا جدًا في الطاقة.
- **الخطوة 3 (أهمية التدوير):**
إعادة تدوير الألومنيوم المستعمل (مثل العلب) تحتاج فقط إلى صهره وإعادة تشكيله، وهي عملية تستهلك طاقة أقل بنسبة تصل إلى 95% مقارنة بإنتاجه من الخام لأول مرة.
لذلك الإجابة: **لأن إنتاجه من الخام يستهلك طاقة كهربائية هائلة وتكلفة عالية، بينما إعادة التدوير توفر الطاقة والتكلفة بشكل كبير**.
سؤال 26: صف الأنود والكاثود في خلية تحليل كهربائي يستعمل فيها الذهب لطلاء الأشياء والأجسام.
الإجابة: س 26: الأنود: ذهب.
الكاثود: الجسم.
المحلول: أيونات ذهب.
خطوات الحل:
- **الخطوة 1 (فكرة الطلاء الكهربائي):**
الطلاء الكهربائي هو تطبيق للتحليل الكهربائي، حيث نريد ترسيب طبقة رقيقة من معدن (مثل الذهب) على سطح جسم آخر.
- **الخطوة 2 (مكونات الخلية):**
في خلية طلاء جسم بالذهب:
- **الأنود (المصعد):** يكون مصنوعًا من المعدن المراد ترسيبه، أي **الذهب النقي**.
- **الكاثود (المهبط):** هو **الجسم المراد طلاؤه** (مثل قطعة مجوهرات).
- **المحلول الكهربائي (الحمام):** محلول يحتوي على **أيونات الذهب**، مثل كلوريد الذهب (III).
- **الخطوة 3 (النتيجة):**
إذن الإجابة: **الأنود: ذهب. الكاثود: الجسم. المحلول: أيونات ذهب**.
سؤال 27: فسّر لماذا يحتاج إنتاج كيلوجرام واحد من أيونات الفضة بواسطة التحليل الكهربائي إلى طاقة كهربائية أقل من إنتاج كيلوجرام واحد من أيونات الألومنيوم؟
الإجابة: س 27: Ag أحادي يحتاج
1e-، بينما Al ثلاثي يحتاج
3e- وطاقة أكبر.
خطوات الحل:
- **الخطوة 1 (المفهوم):**
كمية الطاقة الكهربائية المطلوبة في التحليل الكهربائي ترتبط بعدد مولات الإلكترونات اللازمة لإنتاج كمية معينة من المادة، وذلك حسب قانون فاراداي.
- **الخطوة 2 (المقارنة بين الأيونات):**
- أيون الفضة Ag⁺: شحنته +1، أي يحتاج إلى **إلكترون واحد (1e⁻)** ليتحول إلى ذرة فضة (Ag).
- أيون الألومنيوم Al³⁺: شحنته +3، أي يحتاج إلى **ثلاثة إلكترونات (3e⁻)** ليتحول إلى ذرة ألومنيوم (Al).
- **الخطوة 3 (التطبيق على الكتلة):**
لإنتاج **كيلوجرام واحد** من أي من الفلزين:
1. نحتاج عددًا أكبر من مولات الإلكترونات لإنتاج كيلوجرام من الألومنيوم مقارنة بالفضة، لأن كتلة الذرة الواحدة من الألومنيوم أقل.
2. بالإضافة إلى ذلك، كل ذرة ألومنيوم تحتاج 3 إلكترونات، بينما ذرة الفضة تحتاج إلكترونًا واحدًا.
هذان العاملان يجعلان الطاقة الكهربائية المطلوبة لإنتاج كيلوجرام من الألومنيوم أكبر بكثير.
لذلك الإجابة: **لأن أيون الفضة أحادي (Ag⁺) يحتاج إلكترونًا واحدًا للاختزال، بينما أيون الألومنيوم ثلاثي (Al³⁺) يحتاج 3 إلكترونات، مما يتطلب طاقة كهربائية أكبر لإنتاج نفس الكتلة**.
سؤال 28: احسب جهد خلية داون باستعمال الجدول 1-4، وهل يجب أن يكون هذا الجهد موجبًا أو سالبًا؟
الإجابة: من الجدول نجد أن $E^0_{cell} = -4.07 V$
سالب لأنه تفاعل غير تلقائي.
خطوات الحل:
- **الخطوة 1 (المعطيات والقانون):**
جهد الخلية القياسي (E°_cell) يُحسب من فرق جهود الاختزال القياسية للنصفين:
$$E^0_{cell} = E^0_{cathode} - E^0_{anode}$$
في خلية داون، يتم تحليل مصهور NaCl. التفاعلات هي:
- **الكاثود (اختزال):** 2Na⁺(l) + 2e⁻ → 2Na(s)
$E^0_{Na⁺/Na} = -2.71 V$
- **الأنود (أكسدة):** 2Cl⁻(l) → Cl₂(g) + 2e⁻
$E^0_{Cl₂/Cl⁻} = +1.36 V$
- **الخطوة 2 (الحل):**
نعوض في القانون. هنا، نصف تفاعل الاختزال هو Na⁺/Na، ونصف تفاعل الأكسدة هو Cl⁻/Cl₂.
$$E^0_{cell} = E^0_{cathode} - E^0_{anode} = E^0_{Na⁺/Na} - E^0_{Cl₂/Cl⁻}$$
$$E^0_{cell} = (-2.71) - (+1.36)$$
$$E^0_{cell} = -4.07 V$$
- **الخطوة 3 (قطبية الجهد والتفسير):**
الجهد الناتج **سالب (-4.07 V)**.
يجب أن يكون الجهد سالبًا لأن التحليل الكهربائي هو تفاعل **غير تلقائي**، ولا يحدث إلا إذا قمنا بتزويد الجهاز بطاقة كهربائية خارجية (جهد أكبر من +4.07 V في الاتجاه المعاكس).
إذن الإجابة: **جهد الخلية = -4.07 V، ويجب أن يكون سالبًا لأنه تفاعل غير تلقائي**.
سؤال 29: لخص اكتب فقرة تتعلق بكل هدف من الأهداف الثلاثة للقسم 3-4 بلغتك الخاصة.
الإجابة: س 29: 1. التحليل يحول الطاقة الكهربائية لتفاعل كيميائي.
2. النواتج تختلف باختلاف الوسط (مصهور/محلول).
3. التطبيقات تشمل الطلاء، التنقية، وإنتاج الألومنيوم.
خطوات الحل:
- **الشرح:**
يمكن تلخيص الأهداف الرئيسية لهذا القسم في النقاط التالية:
1. **فهم عملية التحليل الكهربائي:** يهدف القسم إلى تعريفنا بكيفية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية مخزنة في نواتج تفاعل غير تلقائي، على عكس الخلايا الجلفانية التي تحول الطاقة الكيميائية إلى كهربائية.
2. **فهم العوامل المؤثرة في النواتج:** يوضح القسم أن نواتج التحليل الكهربائي ليست ثابتة، بل تعتمد على طبيعة المادة (صلب مصهور أم محلول مائي) وعلى قيم جهود الاختزال النسبية للأيونات الموجودة، مما يفسر اختلاف نواتج تحليل مصهور كلوريد الصوديوم عن محلوله المائي.
3. **التعرف على التطبيقات العملية:** يربط القسم بين المبدأ النظري للتحليل الكهربائي واستخداماته المهمة في حياتنا، مثل تنقية الفلزات (كالنحاس)، وإنتاج الفلزات (كالألومنيوم)، وطلاء المعادن (كالذهب والفضة) لحمايتها أو تحسين مظهرها، مما يظهر أهمية هذه العملية في الصناعة.
🎴 بطاقات تعليمية للمراجعة
عدد البطاقات: 6 بطاقة لهذه الصفحة
ما هي نواتج التحليل الكهربائي لماء البحر؟
الإجابة: ينتج التحليل الكهربائي لماء البحر غاز الكلور والهيدروجين وهيدروكسيد الصوديوم.
الشرح: يختلف ناتج التحليل الكهربائي لماء البحر عن ناتج تحليل مصهور كلوريد الصوديوم بسبب وجود الماء.
تلميح: ركز على المواد الثلاث الرئيسية الناتجة، وليس فقط الغازات.
التصنيف: سؤال اختبار | المستوى: متوسط
صف كيف تتم تنقية النحاس المستخرج من مصهور خامه بالتحليل الكهربائي؟
الإجابة: يصب مصهور النحاس غير النقي في قوالب كبيرة وسميكة تستعمل مصاعد (أنودات) في خلية تحليل كهربائي تحتوي على محلول كبريتات النحاس II. يتأكسد النحاس غير النقي على الأنود إلى أيونات النحاس II التي تنتقل عبر المحلول إلى الكاثود (شريحة رقيقة من النحاس النقي) حيث تختزل إلى ذرات نحاس نقي مرة أخرى وتصبح جزءاً من الكاثود، بينما تترسب الشوائب في قاع الخلية.
الشرح: تستخدم هذه العملية التحليل الكهربائي لفصل النحاس النقي عن شوائبه، حيث ينتقل النحاس من الأنود (غير النقي) إلى الكاثود (النقي) عبر المحلول الإلكتروليتي.
تلميح: فكر في دور الأنود والكاثود في الخلية الكهربائية وما يحدث للمادة عند كل منهما.
التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط
صف الأنود والكاثود في خلية تحليل كهربائي تستعمل فيها الذهب لطلاء الأشياء والأجسام.
الإجابة: في خلية الطلاء الكهربائي بالذهب: الأنود هو قطعة من الذهب النقي، والكاثود هو الجسم المراد طلاؤه. يتأكسد الذهب عند الأنود إلى أيونات الذهب التي تنتقل عبر المحلول وتختزل عند الكاثود لتترسب على الجسم المراد طلاؤه.
الشرح: يتم نقل الذهب من الأنود (المصدر) إلى الكاثود (الهدف) عبر المحلول الإلكتروليتي بفعل التيار الكهربائي الخارجي.
تلميح: تذكر أن عملية الطلاء الكهربائي تشبه عملية تنقية النحاس من حيث مبدأ العمل.
التصنيف: سؤال اختبار | المستوى: سهل
ما هو دور مصدر الطاقة الخارجي في خلية التحليل الكهربائي؟
الإجابة: يسبب مصدر خارجي للطاقة في خلية التحليل الكهربائي حدوث تفاعل أكسدة واختزال غير تلقائي.
الشرح: بدون مصدر طاقة خارجي، لن يحدث التفاعل لأنه غير تلقائي ويتطلب طاقة لدفعه.
تلميح: فكر في طبيعة التفاعلات التي تحدث في الخلايا الكهروكيميائية.
التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: سهل
اذكر تطبيقين صناعيين للتحليل الكهربائي.
الإجابة: 1. تنقية الفلزات (مثل النحاس). 2. طلاء الأجسام والأشياء (مثل الطلاء بالفضة أو الذهب). 3. إنتاج الألومنيوم النقي من خامه.
الشرح: التحليل الكهربائي له تطبيقات واسعة في الصناعة لاستخلاص الفلزات النقية وتغطية الأسطح بطبقات فلزية.
تلميح: تذكر العمليات التي تتطلب نقل فلز من مكان إلى آخر باستخدام الكهرباء.
التصنيف: ملخص | المستوى: سهل
فسر لماذا يجب مراقبة شدة التيار المار في خلية الطلاء الكهربائي والتحكم فيها؟
الإجابة: يجب مراقبة شدة التيار والتحكم فيها للحصول على طبقة تغليف فلزية ناعمة ومتساوية على الجسم المطلي.
الشرح: شدة التيار تؤثر على معدل ترسيب الفلز، وبالتالي على سماكة وتجانس الطبقة المترسبة.
تلميح: فكر في جودة الطلاء النهائي ومدى تجانسه.
التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط