Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

18.10: التحليل الكهربائي
فهرس المحتويات

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content.

Education
Electrolysis
 
نسخة طبق الأصل

18.10: التحليل الكهربائي

في الخلية الجلفانية، يتم تنفيذ العمل الكهربائي بواسطة نظام الأكسدة والاختزال في المناطق المحيطة بها حيث يتم نقل الإلكترونات الناتجة عن تفاعلات الأكسدة والاختزال العفوية عبر دائرة خارجية. بدلاً من ذلك، تعمل الدائرة الخارجية على نظام الأكسدة والاختزال من خلال فرض جهد كافي لدفع تفاعل غير تلقائي في عملية تعرف باسم التحليل الكهربائي. على سبيل المثال، تتضمن إعادة شحن البطارية استخدام مصدر طاقة خارجي لدفع تفاعل الخلية العفوي (التفريغ) في الاتجاه العكسي، واستعادة إلى حد ما تكوين نصف الخلايا والجهد الكهربائي للبطارية. تشمل الأمثلة الأخرى استخدام التحليل الكهربائي في تنقية الخامات المعدنية، وتصنيع المواد الكيميائية السلعية، والطلاء الكهربائي للطلاء المعدني على الأواني، والمجوهرات، وما إلى ذلك.

توقع منتج التحليل الكهربائي

يستخدم التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم المصهور، NaCl (l)، في الإنتاج الصناعي للصوديوم المعدني، والصوديوم، وغاز الكلور، Cl2. يتم اختزال أيونات الصوديوم (Na+) إلى ذرات عند الكاثود، بينما تتأكسد أيونات الكلوريد (Cl) إلى غاز الكلور، Cl2، عند الأنود. تفاعلات الأكسدة والاختزال هي:

Eq1

تشير استطاعة الخلية السالبة إلى تفاعل غير تلقائي يجب أن يكون مدفوعاً بفرض جهد موجب أكبر من −4.07 فولت. يتم إجراء التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم المنصهر عند درجة حرارة عالية تبلغ 801 °C. كما تذوب المواد الصلبة الأيونية في درجات حرارة عالية.

ينتج عن التحليل الكهربائي للماء كميات متكافئة من غاز الأكسجين عند القطب الموجب والهيدروجين عند القطب السالب. لتحسين التوصيل الكهربائي، يتم زيادة تركيز أيون الهيدروجين في الماء بإضافة حمض قوي. تفاعلات الأكسدة والاختزال المصاحبة هي:

Eq2

قد يتضمن التحليل الكهربائي لمحاليل المركبات الأيونية مثل كلوريد الصوديوم المائي التحليل الكهربائي لأي نوع من أنواع المياه (H2O, H+, OH-) أو أنواع مذابة (كاتيونات وأنيونات المركب) عند الأنود والكاثود.

يمكن أن يشتمل التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم المائي على أي من هذين التفاعلين الموجودين:

Eq3

من الناحية الديناميكية الحرارية، سيكون الماء أكثر تأكسداً؛ ومع ذلك، من الناحية العملية، يتم إنتاج غاز الكلور. تتطلب عملية أكسدة الماء جهداً أكبر بكثير للبدء. للتغلب على هذا الجهد الزائد، يتم اختيار الأقطاب الكهربائية ومراقبة إمكانات الخلية بعناية لضمان أكسدة أيونات الكلوريد عند الأنود.

وبالمثل، فإن تفاعلات الاختزال المحتملة عند الكاثود هي:

Eq4

تشير مقارنة إمكانات نصف التفاعل المعيارية إلى أن اختزال الماء مفضل من الناحية الديناميكية الحرارية. ثم يكون تفاعل الخلية النهائي في هذه الحالة هو:

Eq5

الجوانب الكمية للتحليل الكهربائي

التيار الكهربائي هو معدل تدفق الإلكترونات ويقاس بوحدة الأمبير، كولوم واحد في الثانية A = 1 كولوم/ثانية). الشحنة المنقولة، Q، بمرور تيار ثابت، I، خلال فترة زمنية محددة، t، تعطى بواسطة

Eq6

عندما يتم نقل الإلكترونات أثناء عملية الأكسدة والاختزال، يمكن استخدام القياس المتكافئ للتفاعل لاشتقاق الكمية الإجمالية للشحنة (الإلكترونية) المعنية. على سبيل المثال، عملية الاختزال العامة،

Eq7

يتضمن نقل n مول من الإلكترونات. وبالتالي، فإن الشحنات المحولة هي

Eq8

حيث F هو ثابت فاراداي، الشحنة في كولوم لمول واحد من الإلكترونات. بالنسبة للخلية الكهروكيميائية، يتم قياس التدفق الحالي ويمكن استخدامه في الحسابات المتكافئة المتعلقة بتفاعل الخلية.

هذا النص مقتبس من OpenStax, Chemistry 2e, Section 17.7: Electrolysis.

Tags

Electrolysis Redox Reactions Voltaic Cells Electrical Energy Electrolytic Cell Anode Cathode Oxidation Reduction External Source Of Electrons Battery Ionic Compounds Constituent Elements Molten State Aqueous State Conducting Electricity Potassium Bromide Bromide Ions Bromine Gas Potassium Ions Solid Potassium Molten Ionic Mixtures Sodium Iodide Electrode Potentials

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter