18.10
في الخلية الجلفانية، يتم تنفيذ العمل الكهربائي بواسطة نظام الأكسدة والاختزال في المناطق المحيطة بها حيث يتم نقل الإلكترونات الناتجة عن تفاعلات الأكسدة…
تفاعلات التأكسد والاختزال التلقائية في الخلايا الفولتية،تحوّل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. وفي المقابل،تحرك الطاقة الكهربائية الخارجية تفاعلات التأكسد والاختزال غير التلقائية،في عملية تُسمى التحليل الكهربائي التي تجري في خلية تحليل كهربائي. تحتوي خلية التحليل الكهربائي على مصعد للتأكسد ومهبط للاختزال.
إلّا أنها تختلف عن الخلية الفولتية،التي يكون فيها المصعد المشحون بشحنة سالبة هو مصدر الإلكترونات،حيث يكون في خلية التحليل الكهربائي مصدر خارجي للإلكترونات كالبطارية. تسحب البطارية الإلكترونات من المصعد المتصل بقطبها الموجب وتدفعها باتجاه المهبط،المتصل بقطبها السالب. وهكذا تتدفق الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب لمصدر الطاقة الخارجي.
يُستخدم التحليل الكهربائي لفصل المركبات الأيونية إلى العناصر المُكوّنة لها. في حالة الانصهار أو الحالة المائية،تكون الأيونات المُكوّنة حرة لتوصيل الكهرباء. لنتأمل بروميد البوتاسيوم،الذي ينصهر في درجة حرارة 734 مئوية.
هنا تكون أيونات البروميد والبوتاسيوم حاضرة في أخفض أو أعلى حالات التأكسد،على التوالي. بوجود الطاقة تتأكسد أيونات البروميد إلى غاز البروميد في المصعد،وتُختزل أيونات البوتاسيوم إلى بوتاسيوم صلب في المهبط. في المخاليط الأيونية المنصهرة مثل يوديد الصوديوم وبروميد البوتاسيوم،يُستخدم كمون القطب الكهربائي القياسي للتنبؤ بالمادة التي ستتفاعل.
عمومًا،الأيونات السالبة ذات كمون القطب الكهربائي المنخفض تتأكسد،بينما الأيونات الموجبة ذات كمون القطب الأكثر إيجابية تُختزل. ما يثير الإهتمام،أن التحليل الكهربائي لبروميد البوتاسيوم المائي،يُنتج نواتج مختلفة من الأملاح المنصهرة نتيجة التحلل الكهربائي المحتمل للماء. وهكذا قد يحدث تفاعلان في كل قطب؛تأكسد أيونات البروميد أو الماء في المصعد،واختزال أيونات البوتاسيوم أو الماء في المهبط.
نظراًلكمونه القطبي الكهربائي الأقل،يصبح تأكسد أيونات البروميد إلى بروم،هو التفاعل المفضل،بينما كمون القطب الأعلى للماء يدفع باتجاه اختزاله إلى غاز الهيدروجين. يمكن استخدام تكافؤ العناصر لنصفي التفاعل،لحساب كمية المواد الناتجة أو المستهلكة أثناء عملية التحليل الكهربائي. على سبيل المثال،التحليل الكهربائي لبروميد البوتاسيوم المنصهر،يستخدم إلكترونًا واحدًا لتشكيل ذرة بوتاسيوم.
بالتالي،مقابل كل مول من الإلكترونات أو 96, 485 كولوم من الشحنة التي تمر خلال الخلية ينتج مول واحد أو قرابة 39 غرام من البوتاسيوم الصلب.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: How does electrolysis differ from a voltaic cell?
Electrolysis uses external electrical energy to drive nonspontaneous redox reactions, while voltaic cells convert spontaneous chemical reactions into electrical energy. In electrolysis, an external power source like a battery supplies electrons to the cathode and draws them from the anode. This reverses the natural electron flow, enabling separation of ionic compounds into their constituent elements.
Q2: What determines which ions are oxidized or reduced during electrolysis?
Standard electrode potentials predict which substance reacts during electrolysis. Anions with lower electrode potentials are oxidized at the anode, while cations with more positive electrode potentials are reduced at the cathode. In aqueous solutions, water may also participate, competing with dissolved ions based on their relative electrode potentials.
Q3: Why does electrolysis of aqueous potassium bromide produce different products than molten potassium bromide?
In molten potassium bromide, only bromide and potassium ions are present. In aqueous solution, water molecules can also be oxidized or reduced. Bromide oxidation to bromine is favored at the anode due to lower electrode potential, while water reduction to hydrogen gas is favored at the cathode, producing different products than the molten salt.
Q4: How is electrical current related to the amount of substance produced in electrolysis?
Electrical current measures the rate of electron flow in amperes (coulombs per second). The total charge transferred equals current multiplied by time. Using stoichiometry of half-reactions and Faraday's constant (96,485 coulombs per mole of electrons), you can calculate the moles of substance produced or consumed during electrolysis.
Q5: What is the role of the anode and cathode in an electrolytic cell?
The anode is connected to the positive terminal of the battery and is where oxidation occurs. The cathode is connected to the negative terminal and is where reduction occurs. The external power source draws electrons from the anode and drives them toward the cathode, forcing nonspontaneous redox reactions to proceed.
Q6: How much potassium metal is produced from electrolysis of molten potassium bromide?
One mole of electrons produces one mole of potassium atoms through reduction at the cathode. Since one mole of electrons equals 96,485 coulombs of charge, passing this amount of charge through the cell produces approximately 39 grams of solid potassium metal.
Q7: What are practical applications of electrolysis?
Electrolysis is used to separate ionic compounds into constituent elements, refine metallic ores, manufacture commodity chemicals, and electroplate metallic coatings onto objects like jewelry and utensils. Battery recharging also uses electrolysis, driving the discharge reaction in reverse to restore the battery's composition and voltage.