مروری بر عمل الکترولیز و کاربرد آن
برق کافت یا الکترولیز چیست؟
برق کافت یا الکترولیزدر شیمی و صنعت،
شیوهای برای جداسازی عنصرها و ترکیبهایی است
که با پیوند شیمیایی به هم متصل هستند.
این جداسازی با گذراندن جریان الکتریکی مستقیم (DC)
از میان این مواد صورت میگیرد.
در واقع الکترولیز،
فرایند تجزیه یک محلول یا یک ترکیب مذاب
با عبور دادن جریان الکتریکی از میان آن است.
این محلول باید هادی جریان الکتریسیته باشد
و یک محلول تنها وقتی هادی الکتریسیته خواهد بود که حاوی یون باشد.
مایع یا ژلی که حاوی یون است و میتوان آن را با
فرایند الکترولیز تجزیه کرد الکترولیت نامیده میشود.
وقتی محلول الکترولیت یا الکترولیت مذاب تحت الکترولیز قرار میگیرد،
یون ها یا اتم ها یا گروه هایی از اتم ها جدا میشوند.
به این ترتیب عناصری که در ترکیبات یونی حاضرند
را میتوان به وسیله الکترولیز جدا کرد.
اولین فعالیتهای مربوط به حوزه الکتروشیمی
را سر هامفری دیوی اجرا نمود.
او با گذراندن جریان الکتریکی از میان محلولهای آبکی،
توانست واکنشهای شیمیایی انجام دهد
و شش عنصر جدید را از این طریق کشف کرد.
بعدها شاگرد وی،
به ناممایکل فارادی به فعالیتهای کمّی در این حوزه پرداخت
و توانست بین مقدار بار الکتریکی و مقدار ماده ارتباط پیدا کند
روش برقکافت
را دانشمند فیزیکدان وشیمیدان بریتانیایی مایکل فارادی مطرح کرد.
او مشاهده کرد که
هنگام عبور جریان برق از درون محلول
یک ترکیب شیمیایی فلز دار یک واکنش شیمیایی در آن به وقوع میپیوندد.
اجرای این آزمایش بعدها به کشف الکترونها توسط
جوزوف جان تامسون در ۱۸۹۷ و دیگران انجامید .
فارادی بین شدت جریان الکتریکی و زمان واکنش برقکافت
و همینطور مقدار ماده ای که توسط برقکافت تجزیه یا تولید میشود؛
ارتباط خطی مشاهده کرد.
به این معنی که اگر زمان واکنش را ثابت نگه میداشت
ولی شدت جریان را دو برابر میکرد؛
مقدار مادهای که در اثر برقکافت تجزیه میشد نیز دو برابر میگشت.
از طرفی اگر با شدت جریان ثابت،
زمان واکنش برقکافت را دو یا سه برابر میکرد؛
مقدار مادهای که وارد واکنش میشد نیز، دو یا سه برابر میگردید.
بدین ترتیب فارادی متوجه شد بین مقدار ماده
و مقدار بار الکتریکی یک ارتباط به شکل مستقیم و خطی وجود دارد.
همین نتیجهگیری،
توجه فیزیکدانان را به ساختار ماده معطوف کرد
و مقدمهای شد بر کشف الکترونها.
امروز میدانیم که
طی فرایند برقکافت، مبادله ی الکترون رخ میدهد.
یعنی در سطح الکترودمنفی (کاتد) گونههای شیمیایی الکترون به دست میآورند
و بر سطح الکترود مثبت (آند) گونههای شیمیایی الکترون از دست میدهند
و این جریان الکترون از بیرون محلول
و از طریق مدار الکتریکی بین دو الکترود برقرار میگردد.
به فرایند صورت گرفته در کاتد میگوییم
«کاهش» یا «احیا»
و به فرایند رخداده در آند میگوییم «اکسایش»
همگی در کتابهای شیمی دوره دبیرستان خوانده ایم که
الکترولیز در یک سلول الکترولیتی انجام میشود.
در پیل، الکترولیت محلول یا مذاب
در تماس با دو هادی جامد به نامالکترودها است.
هر یک از الکترودها به دو قطب مخالف یک باتری متصل میشوند.
الکترودی که به قطب مثبت متصل میشود
همانظور که قبلا در بالا اشاره شد آند نامیده میشود
و به الکترودی که به قطب منفی متصل میشود کاتد گفته میشود.
البته در طول الکترولیز، یونهای با بار الکتریکی مثبت(کاتیونها)
به سمت کاتد حرکت میکنند،
و در آن جا الکترون میگیرند.
یونهای با بار منفی(آنیونها) به سوی آند حرکت میکنند
و در آن جا الکترونهایشان را تحویل میدهند.
توجه داشته باشید که
اگر محصول تجزیه محلول الکترولیت یک فلز باشد،
این فلز یا به صورت یک پوشش روی یک الکترود قرار میگیرد
و یا به صورت یک محصول پالایش و خالص شده رسوب میکند.
به این ترتیب با استفاده از الکترولیز
میتوان جرم مشخصی از فلز یا غیر فلز ایجاد کرد.
حتی میتوان مقدار برق مورد نیاز برای تولید
این جرم خاص از فلز) یا غیر فلز) را نیز میتوان محاسبه کرد.
یک نمونه مثال ساده و جالب از عمل الکترولیز،
تجزیه محلول کلرید هیدروژن و آب است
که در آن گاز هیدروژن به یک الکترود
و گاز کلر به الکترود دیگر واگذار میشود.
یک کاربرد مهم صنعتی وشیمیایی الکترولیز
برای پالایش و خالص سازی
عناصری مانند طلا، نقره، مس و قلع مورد استفاده قرار میگیرد.
همچنین برای به دست آوردن
آلومینیوم، سدیم، منیزیم و سایر فلزات
از سنگ معدن خود نیز به کار میرود.
در اینجا الکترولیز نمک مذاب ( NaCl مذاب ) بررسی میکنیم
منبع جریان ، الکترونها را به الکترود سمت چپ میراند.
بنابراین ، میتوان گفت که این الکترود ، بار منفی پیدا میکند.
این الکترونها ، از الکترود مثبت سمت راست کشیده میشوند.
در میدان الکتریکی که بدین ترتیب بوجود میآید،
یونهای سدیم (کاتیونها ) به طرف قطب منفی (کاتد)
و یونهای کلرید (آنیونها ) به طرف قطب مثبت (آند) جذب میشوند.
در رسانش الکترولیتی ، بار الکتریکی بوسیله کاتیونها که
به طرف کاتد و بوسیله آنیونها که در جهت عکس ،
به طرف آند حرکت میکنند، حمل میشود.
برای آنکه یک مدار کامل تشکیل شود،
حرکت یونها باید با واکنشهای الکترودی همراه باشد.
در کاتد ، اجزای شیمیایی معینی ( که لازم نیست حتما حامل بار باشند )
باید الکترونها را بپذیرند و کاهیده شوند و در آند ،
الکترونها باید از اجزای شیمیایی معینی جدا شده ،
در نتیجه آن اجزا اکسید شوند.
یونهای سدیم در کاتد کاهیده میشوند:
یونهای کلرید در آند ، اکسید میشوند:
از جمع این دو معادله جزئی ،
واکنش کلی سلول بدست میآید:
