تحليل كهربائي

التحليل الكهربائي في الكيمياء و الصناعة هي الطريقة التي يتم بها استخدام تيار كهربائي لإطلاق تفاعل كيميائي غير ممكن الحدوث بدونه. للتحليل الكهربائي أهمية تجارية عالية كعملية لفصل العناصر من أشكالها الموجودة في الطبيعة مثل الفلزات باستخدام خلية التحليل، كما يستخدم التحليل الكيميائي لتحضير مواد يصعب تحضيرها بالوسائل الكيميائية أو بسبب ارتفاع تكاليف الطرق الكيميائية . أمثلة لذلك نجدها في تحضير الألمونيوم ، والكلور و محلول هيدروكسيد الصوديوم النقي.

الطريقة

يمرر تيار مستمر بين قطبين في محلول موصل للكهرباء (أنظر كهرل). وعن طريق التحليل الكيميائي يحدث انفصال النواتج من المحلول .

يعمل الجهد الكهربائي فقدا للإلكترونات على القطب الموصول بالطرف الموجب من المصدر الكهربائي وفي نفس الوقت زيادة في عدد الإلكترونات في القطب الآخر (المهبط) الموصول بالطرف السالب للمصدر. ويجري في المحلول أيونات بعضها موجب الشحنة و الآخر سالب الشحنة . تذهب الأيونات الموجبة الشحنة (كاتيونات) إلى المهبط وتأخذ منه إلكترونات مما يجعلها مُختزلة. أما على المصعد (القطب الموجب} فيجري تفاعل عكسي ، حيث تعطي الأيونات السالبة الشحنة (أنيونات) إلكترونات إلى القطب وتتأكسد الأنيونات . وتكون كمية الإلكترونات المأخودة من المهبط مساوية للإلكترونات المعطاة للمصعد .

يجري انتقال الأيونات في المحلول عن طريق النفاذية في المحلول وعن طريق قوي التجاذب الكهرستاتيكي بين الأيونات والأقطاب .

يلزم لتلك العملية فرق جهد معين لا يصح أن يقل عنه ، ويسمى فرق الجهد اللازم جهد التحلل Uz . فيجب أن يكون فرق الجهد مساويا لجهد التحلل أو يزيد عنه لكي تسير العملية . وإذا كان فرق الجهد أقل من هذا الحد الأدنى اللازم لسير العملية فلا تتم العملية ، ويصبح سطح كل قطب ملامس للمحلول غير موصل للكهرباء .

يمكن معرفة جهد التحلل لكل مادة من جهد الاختزال . كما نحصل من جهد الاختزال على معلومات إضافية مثل تحلل أقطاب فلز في حمض أو كيفية خفض جهد التحلل عن طريق اختيار قيمة pH-Wert في المحلول.

فعن طريق معرفة جهد الاختزال لمادة يمكننا حساب أنه لتكوين الأكسجين على المصعد عند تحليل الماء في محلول قلوي (جهد التحلل : 401و0 فولت ) يجري عند جهد أقل عنه تكونه في محلول حمضي (جهد التحلل: 23و1 فولت}} أو محلول متعادل (جهد التحلل: 815و0 فولت) . كما يمكننا حساب أن فصل الهيدروجين على المهبط يكون أسهل في محلول حمضي عنه في ماء متعادل أو في محلول قلوي .

• عندما يكون في المحلول عدة كاتيونات قابلة للاختزال فنجد أن العملية تبدأ باختزال الكاتيونات التي لها جهدا موجبا في قائمة الجهود القياسية (سلبيتها أضعف) . فنجد أنه في محلول مائي يحتوي على كلوريد الصوديوم نجد أنه يترسب على المهبط الهيدروجين وليس الصوديوم .

كذلك في وجود عدة أنواع من الأنيونات في المحلول وتكون قابلة للأكسدة ، نجد أن الأكسدة تحدث أولا لتلك الأنيونات التي تأتي في قائمة الجهود القياسية قريبة من الجهد صفر ، أي التي تمتلك جهد اختزال موجب أضعف.

• عند تعدية جهد التحلل تزداد شدة التيار بزيادة الجهد الموصول بالخلية . وطبقا لقانون فاراداي تتناسب كمية المادة المترسبة من المحلول تناسبا طرديا مع كمية الشحنة المارة في الخلية (أي حاصل ضرب شدة التيار في الزمن ، أنظر قانون فاراداي ) .

مثال:

لتكوين 1 جرام من الهيدروجين (نحو 2و11 لتر ، لتكوين جزيئ الهيدروجين يلزمه إلكترونين ) من محلول مائي يلزمه مرور شحنة كهربائية قدرها 96485 كولوم (1 C = 1 A•s) b . فإذا كانت شدة التيار 1 أمبير فيلوم نحو 28 ساعة و 48 دقيقة لتكوين 2و11 لتر من الهيدروجين.

• عمليا نحتاج إلى جهد أعلى لتسير عملية التحليل الكهربائي عن جهد الاختزال وذلك بسبب تخميد يحدث تلقائيا على سطح الأقطاب.
• عند قطع التيار وانتهاء عملية التحليل الكهربائي يمكننا قياس دفعة تيار كهربائي بين القطبين في الاتجاه العكسي . هذا التيار الذي يمر لفترة قصيرة يحدث بسبب عملية عكسية في خلية التحليل ، وهي تكوين خلية جلفانية. عندئذ لا يوجد تيار يعمل على تحليل المحلول وإنما ينشأ تيارا كهربائيا لمدة قصيرة ، وتستخدم تلك الظاهرة لبناء وتشغيل خلية الوقود (حيث يتسبب تفاعل الهيدروجين و الأكسجين في إنتاج طاقة كهربائية).

المراجع

ويكيبيديا، الموسوعة الحرة

التصانيف

إجراءات كيميائية  كيمياء كهربائية  عمليات صناعية  إنتاج الهيدروجين