ماهو التحليل الكهربائي

التحليل الكهربائي هو عملية يتم فيها تمرير التيار الكهربائي عبر مادة ما لتحقيق تغيير كيميائي. التغيير الكيميائي هو التغيير الذي يفقد أو يكتسب المادة إلكترونا. تتم هذه العملية في خلية إلكتروليتية، وهي جهاز يتألف من أقطاب موجبة وسالبة مفصولة ومغمورة في محلول يحتوي على أيونات موجبة وسالبة. يمكن أن تكون المادة المراد تحويلها القطب أو المحلول، أو يمكن أن 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 استخراج المعادن أو تنقية المعادن بواسطة الاستخلاص الكهربائي من الخامات أو المركبات، وفي ترسيب المعادن من خلال عملية الطلاء الكهربائي. يتم إنتاج الصوديوم المعدني وغاز الكلور بواسطة التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم المنصهر. كما يتم إنتاج هيدروكسيد الصوديوم وغاز الكلور من خلال التحليل الكهربائي لمحلول مائي من كلوريد الصوديوم. ويتم إنتاج الهيدروجين والأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء .

تعريف التحليل الكهربائي

التحليل الكهربائي هو عملية تسبب في حدوث تفاعل كيميائي عن طريق مرور تيار كهربائي عبر مادة أو مزيج من المواد، وعادة ما يؤدي التحليل الكهربائي إلى تفكك المركب إلى عناصره. يتم تنفيذ التحليل الكهربائي عن طريق غمر القطبين، قطب موجب وقطب سالب، في المادة التي ترغب في تحليلها كهربيا وتوصيلها بمصدر للتيار الكهربائي .

خلية التحليل الكهربائي

يُطلق على الجهاز الذي يُجرى فيه التحليل الكهربائي اسم خلية التحليل الكهربائي، وهي تأتي من كلمة يونانية تعني القطع أو التحلل، ويتم فيها التحليل الكهربائي للمادة .

يجب أن تكون المادة التي تتم تحليلها بالكهرباء إلكتروليتا، وهو سائل يحتوي على أيونات إيجابية وسالبة، مما يجعله قادرا على توصيل التيار الكهربائي. وهناك نوعان من الإلكتروليتات، حيث يكون النوع الأول عبارة عن محلول مركب أيوني لأي مركب يتفكك إلى أيونات عند ذوبانه في الماء، مثل الأحماض غير العضوية والقواعد والأملاح. أما النوع الثاني فيكون على شكل مركب أيوني سائل مثل الملح المنصهر .

يعمل السائل على توصيل الكهرباء في أي نوع من الإلكتروليت، بسبب حرية تحرك أيوناته الموجبة والسالبة نحو أقطاب الشحنة المعاكسة. تتجه الأيونات الموجبة نحو القطب السالب، في حين تتجه الأيونات السالبة نحو القطب الموجب. يتم بذلك نقل الشحنة الموجبة في اتجاه واحد والشحنة السالبة في اتجاه معاكس، مكونة بذلك تيارا كهربائيا. فالتيار الكهربائي في الأساس هو تدفق للشحنة، ولا يهم ما إذا كانت الحوامل للشحنة تتكون من أيونات أو إلكترونات. في المواد الصلبة الأيونية، مثل كلوريد الصوديوم على سبيل المثال، تصبح الأيونات ثابتة في مكانها وتكون قادرة على التحرك فقط عند إذابة المادة الصلبة في الماء أو عند 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 تحليل الكهرباء، هناك علاقة مباشرة بين تدفق الكهرباء عبر الخلية وكمية التفاعل الكيميائي الذي يحدث. وكلما زادت كمية الإلكترونات المضخومة عبر البطارية في الإلكتروليت، زاد عدد الأيونات التي يجب أن تتخلص أو تأخذ الإلكترونات، وبالتالي تتأكسد أو تخف. ولإنتاج تفاعل كيميائي بقيمة مول واحد، يجب أن تمر 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 .

يتم اختيار الحمض أو القاعدة أو الملح المستخدمين لجعل الماء في الإلكتروليت غير قابل للأكسدة أو التخفيض على الأقل عند جهد البطارية، وبالتالي لا يتفاعل الإلكتروليت كيميائيًا ويعمل فقط على توصيل التيار الكهربائي عبره .

إنتاج الصوديوم والكلور

يمكن تفكيك الملح الشائع وكلوريد الصوديوم وكلوريد البوتاسيوم إلى عناصرها الأساسية، الصوديوم والكلور، باستخدام التحليل الكهربائي، وهذه الطريقة مهمة جدًا لإنتاج الصوديوم، كما يمكن استخدامها لإنتاج معادن قلوية ومعادن أرضية قلوية من أملاحها .

للحصول على الصوديوم عن طريق التحليل الكهربائي ، سيقوم العلماء أولا بذوبان بعض كلوريد الصوديوم بتسخينه فوق نقطة انصهاره البالغة 1.474 درجة فهرنهايت ثم يقومون بإدخال قطبين غير نشطين في الملح المنصهر. يجب أن يذوب كلوريد الصوديوم ليسمح لأيونات Na+ و Cl- بالتحرك بحرية بين القطبين الكهربائيين. بينما في كلوريد الصوديوم الصلب، تتم تجميد الأيونات في مكانها. أخيرا، سيمرون العلماء تيارا كهربائيا مستمرا عبر الملح المنصهر، حيث سيجذب الكاثود (القطب السالب) أيونات الصوديوم، وسيجذب الأنود (القطب الموجب) الأيونات الأخرى، وبذلك 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 مصدرا رئيسيا لهذا المعدن ، حيث تحتوي على أيونات المغنيسيوم أكثر من أي معدن آخر باستثناء الصوديوم ، أولا يتم الحصول على كلوريد المغنيسيوم (MgCl2) عن طريق ترسيب هيدروكسيد المغنيسيوم من مياه البحر وذوبانه في حمض الهيدروكلوريك ، ثم يتم ذوبان كلوريد المغنيسيوم وتحليله كهربائيا ، وعلى غرار إنتاج الصوديوم من كلوريد الصوديوم المنصهر أعلاه ، يترسب المغنيسيوم المنصهر عند الكاثود ، بينما يتم إطلاق غاز الكلور عند الأنود .