לפניכם תיאור סכמתי של ניסוי המתאר אלקטרוליזה של מלח בישול (נתרן כלורי) מותך.
המלבן מייצג את הכלי בו תתרחש התגובה, והקוביות – גבישים של נתרן כלורי.
לביצוע הניסוי נזדקק לסוללה, ושתי אלקטרודות. הנורה המחוברת במעגל אינה דולקת ומכאן
מסיקים שבמעגל לא עובר זרם חשמלי.
אנו נפריד, באופן מלאכותי את התהליך לכמה שלבים.
- היתוך המלח (המלח המוצק הופך לנוזל).
- תהליך האלקטרוליזה (כאשר המלח ניתך, נדלקת הנורה, דבר המעיד על כך שבמעגל עובר זרם חשמלי.
בו זמנית ניתן להבחין בשתי תופעות:
- ליד האלקטרודה המחוברת להדק השלילי של הסוללה, ניתן להבחין בחומר נוזלי בעל
ברק מתכתי. - ליד האלקטרודה המחוברת להדק החיובי של הסוללה, ניתן להבחין בהתנפחות הבלון,
דבר המעיד על פליטת גז.
כדי להבין את התופעות בהן צפינו, עלינו לחפש הסברים ברמה האטומית-מולקולרית. ולכן
נחזור עתה על כל התיאור אך במקום לדבר על נוזלים ובלונים, נרכיב את "משקפי הקסם" וננסה
להבין את התהליך במושגים של חלקיקים כגון יונים ומולקולות.
זהו המודל המתאר את מלח הבישול, (NaCℓ(s בטמפרטורת החדר החומר מוצק, ולכן היונים
המרכיבים קבועים במקומם והתנועה היחידה האפשרית, היא תנודה של כל חלקיק במקומו.
ברור כי אפילו בגביש קטן של מלח ישנו מספר עצום של חלקיקים. למען הפשטות, נתרכז
בדיוננו רק במספר חלקיקים הנמצאים בקדמת המסך.
היות והיונים קבועים במקומם, המוצק לא מוליך זרם חשמלי. אנו מסיקים זאת מכך שהנורה
המחוברת במעגל אינה דולקת. אבל אם נחמם את המלח עד לטמפרטורה גבוהה מאוד,
תנועת היונים תתגבר עד אשר המלח יותך. כאשר המלח יותך, ניתן יהיה להבחין בכך
שהנורה המחוברת במעגל תאיר. העלאת הטמפרטורה מאפשר חופש תנועה לחלקיקים. והנורה נדלקת!!!
עליכם לזכור כי כל נסיון להסביר תופעות מסובכות כל כך, עושה עוול למציאות. אין תהליך
המתרחש כשורה של שלבים בודדים שבכל אחד משתתף רק יון אחד. ובכל זאת…
כדי להקל על הבנת התהליך, נתרכז תחיל ביון אחד של כלור ויון אחד של נתרן.
תוך כדי התנועה, יון כלור מתנגש באלקטרודה החיובית ואז, הסוללה "מושכחת"
ממנו אלקטרון והיון הופך לאטום ניטרלי. בו זמנית, יון נתרן מתנגש באלקטרודה השלילית, ו"מושך" ממנה אלקטרון.
ננסה לבחון עתה את התמונה הכוללת. יוני כלור נוספים נמשכים אל האלקטרודה החיובית.
הסוללה "שואבת" מהם אלקטרונים והיונים הופכים לאטומים ניטרליים. כל זוג אטומי כלור
מתחבר ונוצרות מולקולות דו אטומיות. בו-זמנית, יוני הנתרן נמשכים אל האלקטרודה השניה,
"שואבים" ממנה אלקטרונים ומסתדרים במבנה המתכתי האופייני למתכת נתרן.
לסיכום, נבחן כיצד מתקשרות זו לזו שתי התמונות, זו שאנו רואים בעינינו (התופעות), וזו
שאנו מדמיינים במוחנו, (המודל הבא להסביר את התופעות הללו). ונתחיל בחזרה על
התופעות שנצפו: כאשר המלח ניתן, נדלקת הנורה, דבר המעיד על כך שבמעגל עובר זרם חשמלי.
וכזכור לכם, ניתן להבחין בשתי תופעות בו זמנית:
- ליד האלקטרודה המחוברת להדק השלילי של הסוללה, ניתן להבחין בחומר נוזלי בעל
ברק מתכתי. - ליד האלקטרודה המחוברת להדק החיובי של הסוללה, ניתן להבחין בהתנפחות הבלון,
דבר המעיד על פליטת גז.
אנו רוצים, כאמור, לקשר בין שתי התמונות, התמונה שאנו רואים בעינינו וזו שאנו מתארים בדמיוננו.
בואו ונסכם:
עד כה צפיתם בסרטון שניסה לתאר מה שמתרחש באלקטרוליזה של מלח בישול מותך.
נניח כי ברצונכם לתאר לחבריכם מה שהתרחש. ברור כי אחד הדרכים לעשות זאת היא
לכתוב תאור מפורט של כל מה שראיתם ולמדתם.
סביר כי המטלה שביצעתם זה עתה התבטאה בכך שכתבתם מסמך ובו תיאור מפורט וארוך למדי
של השלבים השונים בניסוי האלקטרוליזה. הכימאים חשבו שזו דרך מסורבלת לתיאור תופעות
ולכן, כידוע לכם, פיתחו שפה מיוחדת- שפת הכימאים, בעזרתה ניתן להציג דברים בצורתה המקוצרת.
בואו נתחיל! הכימאים מסמלים נתרן כלורי מוצק באופן הבא: (NaCℓ(s.
כידוע לכם, Na. מסמל את היסוד נתרן, ו – Cℓ – את היסוד כלור. NaCℓ מסמל את התרכובת
נתרן כלורי. הסימול (s) מצביע על כך שהחומר במצב מוצק.
בנוזל טבולות אלקטרודות המחוברות לסוללה. האנרגיה שהוספה למוצק, גרמה לכך שהיונים
המרכיבים אותו החלו לנוע באופן חופשי. דבר זה איפשר ליונים השונים להמשך לכיוון האלקטרודות.
בשלב הראשון הוספנו אנרגיה למידגם (חיממנו אותו) ודבר זה גרם להיותך המוצק ולניודם של היונים.
הכימאים מסמלים את תהליך ההיתוך של נתרן כלורי באופן הבא:
NaCℓ(s)→Na+(l) + Cℓ-(l)
שימו לב! מצידו השמאלי של החץ כותבים את הסמל/ים של המגיב/מגיבים ומן הצד הימני של החץ כותבים את הסמל/ים של התוצר/תוצרים.
זיכרו! המגיבים והתוצרים נמצאים יחד בתוך כלי התגובה וזאת למרות שנראה כאילו תורץ הכתיבה הזו מרמזת שיש הפרדה ביניהם.
כאמור, כך מסמלים הכימאים את תהליך היתוך של נתרן כלורי:
NaCℓ(s)→Na+(l) + Cℓ-(l)
(Na+(l מסמל יוני נתרן במצב מותך ו- (Cℓ-(l מסמל יוני כלור במצב מותך. לאחר שהמלח הותך מתאפשר תהליך האלקטרוליזה. יוני הנתרן נמשכים לאלקטרודה השלילית, "שואבים" ממנה אלקטרונים ומסתדרים במבנה מתכתי (במקרה זה עדיין נוזלי). הכימאים מסמלים זאת כך:
Na+(l) + e-→Na(l)
-e הוא הסימול המקובל לאלקטרונים.
מה משמעות של ניסוח זה?
Na+(l) + e-→Na(l)
הניסוח מדגים כי עבור כל חלקיק במבנה המתכתי: (Na(l, יון נתרן (+Na)
אחד "שואב" אלקטרון (-e) אחד מן האלקטרודה.
כלומר, בניסוח זה היחס בין החלקיקים הוא: 1÷1÷1
האם נוכל להפעיל שיקול דעת דומה עבור יוני הכלור?
כפי שלמדתם, הגז כלוב מורכב ממולקולות דו-אטומיות, אשר כל אחת מהן
מסמלים באופן הבא: 2 Cℓ. ולכן, את התהליך בו נוצרות מולקולות כלומר מיונים
ואלקטרונים עלינו לנסח באופן הבא:
2Cℓ-(l)→ Cℓ2(g) + 2e-
אם כך תיארנו את היחס בין החלקיקים בניסוח הזה:
Na+(l) + e-→Na(l)
1÷1÷1
הרי שבניסוח הבא :
2Cℓ-(l)→ Cℓ2(g) + 2e-
2÷2÷2
אבל, כאמור, שני התהליכים הללו מתרחשים בו זמנית:
ולכן, על כל מולקולת כלור שנוצרת, הסוללה "שואבת" 2 אלקטרונים מ-2 יוני
כלור ובו זמנית, "שואבים" 2 יוני נתרן 2 אלקטרונים מן הסוללה.
ומכאן, הדרך בה מתארים הכימאים את שמי חצאי התהליך היא:
2Na+(l) + 2e-→2Na(l)
2÷2÷2
2Cℓ-(l)→ Cℓ2(g) + 2e-
2÷2÷2
ואם נסכמם:
2Na+(l)→2Na(l)
2Cℓ-(l)→ Cℓ2(g)
או:
2Na+(l) + 2Cℓ-(l)→2Na(l) + Cℓ2(g)
סביר כי בשלב זה נראה לכם כי גם שפת הכימאים ארוכה ומסורבלת. למעשה אין הדבר כך.
פשוט ניסינו לפרק את התהליך לשלביו.
כימאי יתאר את כל תהליך האלקטרוליזה של מלח בישול בו דנו בפירוט רב כך כך, באופן הבא:
2NaCℓ(s)→2Na(s) + Cℓ2(g)
עליכם להודות שזו אכן דרך קצרה ותמציתית ביותר לתאר כיצד ניתן, בעזרת זרם חשמלי, לפרק את
התרכובות היונית: (NaCℓ(s למרכיביה, היסודות נתרן וכלור.
