الهدف
بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادراً على التمييز بين الخلية الجلفانية والخلية الإلكتروليتية، وتحديد قطبية الأقطاب في كل منهما.
شرح الدرس
تستخدم الخلية الإلكتروليتية طاقة كهربية من مصدر خارجي (كبطارية) لدفع تفاعل كيميائي غير تلقائي (لا يحدث من تلقاء نفسه)، في عملية تُسمى التحليل الكهربي (الإلكتروليز).
لا تزال الأكسدة تحدث عند الأنود والاختزال عند الكاثود (كما في الخلية الجلفانية)، لكن قطبية الإشارة تنعكس: الأنود في الخلية الإلكتروليتية يكون موجباً (متصلاً بالقطب الموجب لمصدر الطاقة الخارجي)، والكاثود يكون سالباً (متصلاً بالقطب السالب) – عكس تماماً قطبية الخلية الجلفانية.
يُستخدم التحليل الكهربي لتفكيك مركبات مستقرة كيميائياً (كصهير كلوريد الصوديوم NaCl المنصهر، أو محاليل مائية لأملاح معينة) إلى عناصرها المكوّنة، وهي عملية لا يمكن أن تحدث تلقائياً بدون دفع خارجي من مصدر الطاقة.
أسئلة تدريبية
1. في الخلية الإلكتروليتية، ما إشارة الأنود (موجب أم سالب)؟ وكيف تختلف عن إشارته في الخلية الجلفانية؟
عرض الإجابة
موجب في الخلية الإلكتروليتية؛ بينما هو سالب في الخلية الجلفانية – إشارة معاكسة تماماً بين النوعين.
2. في الخلية الإلكتروليتية، ما إشارة الكاثود (موجب أم سالب)؟
عرض الإجابة
سالب في الخلية الإلكتروليتية؛ بينما هو موجب في الخلية الجلفانية.
3. هل تحدث الأكسدة عند الأنود في الخلية الإلكتروليتية، أم يختلف هذا عن الخلية الجلفانية؟
عرض الإجابة
نعم، لا تزال الأكسدة تحدث عند الأنود في كلا النوعين؛ فقط إشارة القطب (موجب أو سالب) هي التي تنعكس بين النوعين، وليس نوع التفاعل الذي يحدث عند كل قطب.
4. ما الفرق الجوهري بين الخلية الجلفانية والخلية الإلكتروليتية من حيث مصدر الطاقة؟
عرض الإجابة
الخلية الجلفانية تُنتج طاقة كهربية من تفاعل كيميائي تلقائي يحدث بداخلها؛ بينما الخلية الإلكتروليتية تستهلك طاقة كهربية من مصدر خارجي لدفع تفاعل كيميائي غير تلقائي.
5. لماذا يحتاج تفكيك كلوريد الصوديوم المنصهر NaCl إلى مصدر طاقة كهربية خارجي (تحليل كهربي)، بدلاً من أن يحدث هذا التفكك تلقائياً؟
عرض الإجابة
لأن NaCl مركّب مستقر كيميائياً جداً (طاقة تكوينه سالبة كبيرة)، فتفكيكه إلى عنصريه الأصليين (Na وCl₂) هو عملية غير تلقائية تحتاج طاقة خارجية كبيرة لدفعها، عكس اتجاه التفاعل التلقائي الطبيعي (تكوين NaCl من عنصريه، وليس تفكيكه).
6. في خلية إلكتروليتية لتحليل كلوريد الصوديوم المنصهر، عند أي قطب (الموجب أم السالب) يُتوقع تكوّن فلز الصوديوم الحر؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
عند القطب السالب (الكاثود)؛ لأن أيونات الصوديوم الموجبة Na⁺ تُختزل هناك (تكتسب إلكترونات لتصبح فلز صوديوم متعادل)، والاختزال يحدث دائماً عند الكاثود، وهو القطب السالب في الخلية الإلكتروليتية.
7. في نفس الخلية، عند أي قطب يُتوقع تصاعد غاز الكلور Cl₂؟
عرض الإجابة
عند القطب الموجب (الأنود)؛ لأن أيونات الكلوريد السالبة Cl⁻ تتأكسد هناك (تفقد إلكترونات لتكوّن غاز الكلور الحر)، والأكسدة تحدث دائماً عند الأنود، وهو القطب الموجب في الخلية الإلكتروليتية.
8. لماذا لا يمكن الاعتماد على قطبية القطب وحدها (موجب أم سالب) لتحديد نوع التفاعل الذي يحدث عنده (أكسدة أم اختزال)، دون معرفة نوع الخلية (جلفانية أم إلكتروليتية) أولاً؟
عرض الإجابة
لأن العلاقة بين القطبية ونوع التفاعل تنعكس تماماً بين النوعين؛ فالأنود (مكان الأكسدة دائماً) سالب في الخلية الجلفانية لكنه موجب في الخلية الإلكتروليتية؛ فمعرفة القطبية وحدها لا تكفي، بل يجب معرفة نوع الخلية أولاً لتحديد أي نوع تفاعل يحدث عند أي قطبية.
9. ماذا يحدث لتفاعل غير تلقائي (E°cell سالب) إذا طُبق عليه فرق جهد خارجي أكبر من مقدار |E°cell| وبالاتجاه المعاكس؟
عرض الإجابة
يمكن دفع هذا التفاعل غير التلقائي ليحدث فعلياً (بالاتجاه المعاكس لاتجاهه التلقائي الطبيعي)، وهذا بالضبط مبدأ عمل الخلية الإلكتروليتية – استخدام طاقة كهربية خارجية كافية للتغلب على الميل الطبيعي غير التلقائي للتفاعل ودفعه في الاتجاه المطلوب.
10. اذكر مثالاً واحداً على تطبيق عملي يعتمد على مبدأ التحليل الكهربي (الخلية الإلكتروليتية).
عرض الإجابة
أمثلة ممكنة: استخلاص فلزات نشطة كالألومنيوم أو الصوديوم من مركباتها المنصهرة، أو الطلاء الكهربي (إضافة طبقة رقيقة من فلز على سطح آخر)، أو تنقية النحاس كهربياً (سيُدرس هذان التطبيقان بالتفصيل في درس لاحق).
11. لماذا لا يمكن استخدام خلية جلفانية بسيطة (بدون مصدر طاقة خارجي) لتفكيك كلوريد الصوديوم المنصهر إلى عنصريه؟
عرض الإجابة
لأن الخلية الجلفانية تعتمد على استغلال تفاعل تلقائي موجود بالفعل لإنتاج طاقة كهربية، بينما تفكيك NaCl إلى عنصريه هو تفاعل غير تلقائي (يحتاج طاقة إضافية، لا يُنتجها)؛ فبدون مصدر طاقة خارجي يدفع هذا التفاعل غير التلقائي، لن يحدث التفكك أصلاً.
12. قارن بإيجاز بين اتجاه انتقال الطاقة (من كيميائية إلى كهربية، أو العكس) في كل من الخلية الجلفانية والخلية الإلكتروليتية.
عرض الإجابة
في الخلية الجلفانية: تنتقل الطاقة من كيميائية (التفاعل التلقائي) إلى كهربية (التيار المُنتج)؛ بينما في الخلية الإلكتروليتية: تنتقل الطاقة من كهربية (المصدر الخارجي) إلى كيميائية (دفع التفاعل غير التلقائي ليحدث، مُخزّناً الطاقة في المنتجات الكيميائية الجديدة).