ثقتي بالله
المشرف العام
تحليل الكهربائي
التحليل الكهربائي عملية يتم من خلالها تمرير التيار الكهربائي عبر مادة ما لإحداث تغيير كيميائي ، والتغيير الكيميائي هو التغيير الذي تفقد فيه المادة إلكترونًا أو تكتسبه ، ويتم تنفيذ العملية في خلية إلكتروليتية وهي عبارة عن جهاز يتكون من أقطاب موجبة وسالبة مفصولة ومغموسة في محلول يحتوي على أيونات موجبة وسالبة الشحنة ، وقد تشكل المادة المراد تحويلها القطب أو قد تشكل المحلول أو قد تذوب في المحلول .
يدخل التيار الكهربائي أي الإلكترونات عبر القطب السالب الشحنة ، وتنتقل مكونات المحلول إلى هذا القطب وتتحد مع الإلكترونات وتتحول ، ويمكن أن تكون المنتجات عناصر محايدة أو جزيئات جديدة ، وتنتقل مكونات المحلول أيضًا إلى القطب الآخر وتتخلى عن إلكتروناتها وتتحول إلى عناصر محايدة أو جزيئات جديدة ، وإذا كانت المادة المراد تحويلها هي القطب فغالبًا ما يكون التفاعل هو الذي يذوب فيه القطب بالتخلي عن الإلكترونات .
استخدام التحليل الكهربائي
يستخدم التحليل الكهربائي على نطاق واسع في العمليات المعدنية ، مثل الاستخراج الاستخلاص الكهربائي أو التنقية التكرير الكهربائي للمعادن من الخامات أو المركبات وفي ترسيب المعادن من المحلول الطلاء الكهربائي ، وينتج الصوديوم المعدني وغاز الكلور عن طريق التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم المنصهر ، وينتج التحليل الكهربائي لمحلول مائي من كلوريد الصوديوم هيدروكسيد الصوديوم وغاز الكلور ، ويتم إنتاج الهيدروجين والأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء .تعريف التحليل الكهربائي
التحليل الكهربائي هو عملية التسبب في حدوث تفاعل كيميائي عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر مادة أو خليط من المواد غالبًا في صورة سائلة ، ويؤدي التحليل الكهربائي في كثير من الأحيان إلى تحلل المركب إلى عناصره ، ولإجراء التحليل الكهربائي يتم غمر قطبين قطب موجب وقطب سالب ، وفي المادة المراد تحليلها كهربيًا وتوصيلها بمصدر تيار كهربائي مباشر .خلية التحليل الكهربائي
يُطلق على الجهاز الذي يُجرى فيه التحليل الكهربائي اسم خلية التحليل الكهربائي ، وهي تأتي من الكلمة اليونانية والتي تعني القطع أو التحلل ، والتحليل الكهربائي في خلية التحليل الكهربائي هو عملية يمكن أن تتحلل مادة .يجب أن تكون المادة التي يتم تحليلها بالكهرباء عبارة عن إلكتروليت ، وهو سائل يحتوي على أيونات موجبة وسالبة وبالتالي يكون قادرًا على توصيل الكهرباء ، وهناك نوعان من الإلكتروليتات ، أحد الأنواع عبارة عن محلول مركب أيوني لأي مركب ينتج أيونات عندما يذوب في الماء ، مثل حمض غير عضوي أو قاعدة أو ملح ، والنوع الآخر هو مركب أيوني مسال مثل الملح المصهور .
في أي نوع من الإلكتروليت يقوم السائل بتوصيل الكهرباء لأن أيوناته الموجبة والسالبة تكون حرة في التحرك باتجاه أقطاب الشحنة المعاكسة الأيونات الموجبة باتجاه القطب السالب والأيونات السالبة باتجاه القطب الموجب ، ويشكل هذا النقل للشحنة الموجبة في اتجاه واحد والشحنة السالبة في الاتجاه المعاكس تيارًا كهربائيًا لأن التيار الكهربائي في النهاية ليس سوى تدفق شحنة ، ولا يهم ما إذا كانت حوامل الشحنة عبارة عن أيونات أو إلكترونات ، وفي مادة صلبة أيونية مثل كلوريد الصوديوم على سبيل المثال تصبح الأيونات الثابتة في المكان حرة في التحرك بمجرد إذابة المادة الصلبة في الماء أو بمجرد ذوبانها .
عملية التحليل الكهربائي
أثناء التحليل الكهربائي تتحرك الأيونات نحو أقطاب الشحنة المعاكسة ، وعندما يصلون إلى الأقطاب الكهربائية الخاصة بهم يخضعون لتفاعلات الأكسدة الكيميائية ، وفي القطب السالب الذي يضخ الإلكترونات في الإلكتروليت ، يحدث الاختزال الكيميائي أخذ الإلكترونات بواسطة الأيونات الموجبة ، وفي القطب الموجب الذي يزيل الإلكترونات من الإلكتروليت تحدث الأكسدة الكيميائية فقدان الإلكترونات بواسطة الأيونات السالبة .في التحليل الكهربائي توجد علاقة مباشرة بين كمية الكهرباء التي تتدفق عبر الخلية وكمية التفاعل الكيميائي الذي يحدث ، وكلما زاد عدد الإلكترونات التي يتم ضخها عبر الإلكتروليت بواسطة البطارية ، ستضطر المزيد من الأيونات للتخلي عن الإلكترونات أو تناولها وبالتالي تتأكسد أو تقل ، ولإنتاج تفاعل كيميائي بقيمة مول واحد ، يجب أن يمر مول واحد من الإلكترونات عبر الخلية .
يطلق على مول من الإلكترونات أي 6.02 × 1023 من الإلكترونات فاراداي ، وسميت الوحدة باسم مايكل فاراداي الكيميائي والفيزيائي الإنجليزي الذي اكتشف هذه العلاقة بين الكهرباء والتغير الكيميائي ، كما يُنسب إليه أولاً استخدام الكلمات الأنود والكاثود والقطب الكهربائي والإلكتروليت والتحليل الكهربائي .
أهداف عملية التحليل الكهربائي
يمكن ابتكار أنواع مختلفة من الخلايا الإلكتروليتية لتحقيق أهداف كيميائية محددة .التحليل الكهربائي للماء
ربما يكون أفضل مثال معروف على التحليل الكهربائي هو التحلل الإلكتروليتي للماء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين ، ونظرًا لأن الماء مركب مستقر لا يمكن للعلماء أن يجعلوا هذا التفاعل يمر إلا بضخ الطاقة إليه في هذه الحالة في شكل تيار كهربائي ، ويجب أولاً تحويل الماء النقي ، الذي لا يوصل الكهرباء جيدًا ، إلى إلكتروليت عن طريق إذابة حمض أو قاعدة أو ملح فيه ، وبعد ذلك يمكن إدخال الأنود والكاثود المصنوعان عادةً من الجرافيت أو بعض المعادن غير المتفاعلة مثل البلاتين وتوصيلهما ببطارية أو مصدر آخر للتيار المباشر .في القطب السالب حيث يتم ضخ الإلكترونات في الماء بواسطة البطارية ، يتم امتصاصها بواسطة جزيئات الماء لتكوين غاز الهيدروجين ، وفي القطب الموجب ، تتم إزالة الإلكترونات من جزيئات الماء ، ولاحظ أنه عند إضافة هاتين المعادلتين معًا يتم دمج أيونات H + الأربعة وأربعة أيونات OH على الجانب الأيمن لتشكيل أربعة جزيئات H2 O ، والتي تلغي بعد ذلك أربعة من جزيئات H2 O على الجانب الأيسر ، وهكذا تم تحلل كل جزيئين من الماء إلى جزيئين من الهيدروجين وجزيء واحد من الأكسجين .
تم اختيار الحمض أو القاعدة أو الملح الذي جعل الماء في إلكتروليت بحيث لا يمكن أكسدة أو تقليل أيوناته الخاصة على الأقل عند جهد البطارية ، لذلك لا تتفاعل كيميائيًا وتعمل فقط لتوصيل التيار من خلال الماء .
إنتاج الصوديوم والكلور
عن طريق التحليل الكهربائي ، يمكن تكسير الملح الشائع وكلوريد الصوديوم وكلوريد الصوديوم إلى عناصره ، الصوديوم والكلور ، وهذه طريقة مهمة لإنتاج الصوديوم ، كما أنها تستخدم لإنتاج معادن قلوية أخرى ومعادن أرضية قلوية من أملاحها .للحصول على الصوديوم عن طريق التحليل الكهربائي ، سيقوم العلماء أولاً بإذابة بعض كلوريد الصوديوم عن طريق تسخينه فوق نقطة انصهاره البالغة 1.474 درجة فهرنهايت ثم يقومون بإدخال قطبين خامل غير متفاعلين في الملح المصهور ، ويجب أن يذوب كلوريد الصوديوم للسماح لـ Na + و Cl- أيونات بالتحرك بحرية بين الأقطاب الكهربائية ، وفي كلوريد الصوديوم الصلب يتم تجميد الأيونات في مكانها ، وأخيرًا سيمرر العلماء تيارًا كهربائيًا مباشرًا (DC) عبر الملح المصهور ، وسوف يجذب القطب السالب الكاثود أيونات الصوديوم والقطب الموجب الأنود سوف يجذب الأيونات وعندها تحدث التفاعلات الكيميائية التالية .
في القطب السالب حيث يتم ضخ الإلكترونات فيه ، يتم التقاطها بواسطة أيونات الصوديوم الموجبة ، وفي القطب الموجب حيث يتم ضخ الإلكترونات ، يتم نزع أيونات الكلوريد منها ، تتحد ذرات الكلور على الفور في جزيئات ثنائية الذرة ، والنتيجة هي أن الملح الشائع يتحلل إلى عناصره بالكهرباء .
إنتاج المغنيسيوم
استخدام آخر مهم للتحليل الكهربائي في إنتاج المغنيسيوم من مياه البحر ، وتعتبر مياه البحر مصدرًا رئيسيًا لهذا المعدن ، حيث تحتوي على أيونات المغنيسيوم أكثر من أي معدن آخر باستثناء الصوديوم ، أولاً يتم الحصول على كلوريد المغنيسيوم MgCl2 عن طريق ترسيب هيدروكسيد المغنيسيوم من مياه البحر وتذويبه في حمض الهيدروكلوريك ، ثم يتم إذابة كلوريد المغنيسيوم وتحلل كهربائيًا ، وعلى غرار إنتاج الصوديوم من كلوريد الصوديوم المصهور أعلاه ، يترسب المغنيسيوم المصهور عند الكاثود ، بينما يتم إطلاق غاز الكلور عند الأنود .---
