ماهو التحليل 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 .[1]