تحليل كهربائي

توضيح جهاز تحليل الماء يستخدم أمام تلاميذ المدارس.

التحليل الكهربائي أوالكهرلة في الكيمياء والصناعة هي الكيفية التي يتم بها استخدام تيار كهربائي لإطلاق تفاعل كيميائي غير ممكن الحدوث بدونه. للتحليل الكهربائي أهمية تجارية عالية كعملية لفصل العناصر من أشكالها الموجودة في الطبيعة مثل الفلزات باستخدام خلية التحليل، كما يستخدم التحليل الكيميائي لتحضير مواد يصعب تحضيرها بالوسائل الكيميائية أوبسبب ازدياد تكاليف الطرق الكيميائية . والأمثلة على ذلك موجودة في تحضير الألمونيوم، والكلور ومحلول هيدروكسيد الصوديوم النقي.

الطريقة

التحليل الكهربائي.

تحليل كهربائي لمحلول يوديد الزنك ، الأقطاب من أي مادة أخرى .

يمرر تيار مستمر بين قطبين في محلول موصل للكهرباء (كهرل). وعن طريق التحليل الكيميائي يحدث انفصال النواتج من المحلول.

يعمل الجهد الكهربائي فقدا للإلكترونات على القطب الموصول بالطرف الموجب من المصدر الكهربائي وفي نفس الوقت زيادة في عدد الإلكترونات في القطب الآخر (المهبط) الموصول بالطرف السالب للمصدر الكهربائي. يتجمع غاز الهيدروجين عند القطب السالب ، ويتجمع الأكسجين فوق القطب الموجب . عندماقد يكون الصنبوران الزجاجيان أعلى العمودين مغلقا يتجمع الهيدروجين فوق عمود الماء على ناحية القطب السالب ، ويتجمع غاز الأكسجين فوق الماء عند العمود ذوالقطب الموجب . (أنظر الشكل 1 ). وبما أنه لتكوين الماء نحتاج إلى حجمين من الهيدروجين وحجم واحد من الأكسجين (H2O)، فنجد حتى غاز الهيدروجين المتجمع في عمود الهيدروجين ضعف ازدياد غاز الأكسجين في عموده الموصول بالقطب الموجب . إذن ، الصورة في الشكل 1 تبين حالة حتىقد يكون الصنبوران مفتوحين ، حيث يخرج الغازان في هواء المختبر، جميع غاز منهما فوق عموده. ونستطيع التحقق من عمود الهيدروجين بواسطة شعلة، أما الأكسجين فلا يحترق.

التفاصيل

يجري في المحلول الأيونات الناتجة من الماء بعضها موجب الشحنة والآخر سالب الشحنة . تمضى الأيونات الموجبة الشحنة (أيونات الهيدروجين) إلى المهبط وتأخذ منه إلكترونات مما يجعلها مُختزلة وتصعد في عمودها. أما على المصعد (القطب الموجب) فيجري تفاعل عكسي ، حيث تعطي الأيونات السالبة (أيونات الأكسجين) إلكتروناتها إلى القطب الموجب وتتأكسد الأنيونات، وتتصاعد في عمودها فوق الماء.

يجري انتنطق الأيونات في المحلول عن طريق النفاذية في المحلول وعن طريق قوي التجاذب الكهرستاتيكي بين الأيونات والأقطاب.

يلزم لتلك العملية فرق جهد معين لا يصح حتى يقل عنه، ويسمى " جهد التحلل" U_z . فيجب حتىقد يكون فرق الجهد مساويا لجهد التحلل أويزيد عنه لكي تسير العملية . وإذا كان فرق الجهد أقل من هذا الحد الأدنى اللازم لسير العملية فلا تتم العملية، ويصبح سطح جميع قطب ملامس للمحلول غير موصل للكهرباء.

يمكن فهم جهد التحلل لكل مادة من جهد الاختزال . كما نحصل من جهد الاختزال على معلومات إضافية مثل تحلل أقطاب فلز في حمض أوكيفية خفض جهد التحلل عن طريق اختيار قيمة pH-Wert في المحلول.

فعن طريق فهم جهد الاختزال لمادة ما يمكننا حساب أنه لتكوين الأكسجين على المصعد عند تحليل الماء في محلول قلوي (جهد التحلل : 401و0 فولت) يجري عند جهد أقل عنه في محلول حمضي (جهد التحلل: 23و1 فولت ) أومحلول متعادل (جهد التحلل: 815و0 فولت) . كما يمكننا حساب حتى فصل الهيدروجين على المهبطقد يكون أسهل في محلول حمضي عنه في ماء متعادل أوفي محلول قلوي.

عندماقد يكون في المحلول عدة كاتيونات قابلة للاختزال فنجد حتى العملية تبدأ باختزال الكاتيونات التي لها جهدا موجبا في قائمة الجهود القياسية (سلبيتها أضعف). فنجد أنه في محلول مائي يحتوي على كلوريد الصوديوم نجد أنه يترسب على المهبط الهيدروجين وليس الصوديوم.

كذلك في وجود عدة أنواع من الأنيونات في المحلول وتكون قابلة للأكسدة ، نجد حتى الأكسدة تحدث أولا لتلك الأنيونات التي تأتي في قائمة الجهود القياسية قريبة من الجهد صفر، أي التي تمتلك جهد اختزال موجب أضعف.

عند تعدية جهد التحلل تزداد شدة التيار بزيادة الجهد الموصول بالخلية . وطبقا لقانون فاراداي تتناسب كمية المادة المترسبة من المحلول تناسبا طرديا مع كمية الشحنة المارة في الخلية (أي حاصل ضرب شدة التيار في الزمن، انظر قانون فاراداي ) .

مثال:

لتكوين 1 جرام من الهيدروجين (نحو2و11 لتر، لتكوين جزيء الهيدروجين يلزمه إلكترونين ) من محلول مائي يلزمه مرور شحنة كهربائية قدرها 96485 كولوم (1 C = 1 A·s) b . فإذا كانت شدة التيار 1 أمبير فيلوم نحو28 ساعة و48 دقيقة لتكوين 2و11 لتر من الهيدروجين.

عمليا نحتاج إلى جهد أعلى لتسير عملية التحليل الكهربائي عن جهد الاختزال وذلك بسبب تخميد يحدث تلقائيا على سطح الأقطاب.
عند بتر التيار وانتهاء عملية التحليل الكهربائي يمكننا قياس دفعة تيار كهربائي بين القطبين في الاتجاه العكسي . هذا التيار الذي يمر لفترة قصيرة يحدث بسبب عملية عكسية في خلية التحليل ، وهي تكوين خلية جلفانية. عندئذ لا يوجد تيار يعمل على تحليل المحلول وإنما ينشأ تيارا كهربائيا لمدة قصيرة، وتستخدم تلك الظاهرة لبناء وتشغيل خلية الوقود (حيث يتسبب تفاعل الهيدروجين والأكسجين في إنتاج طاقة كهربائية).

مراجع

^ "Electrochemical Series", in (Chemical Rubber Company). نسخة محفوظة 24 يوليو2017 على مسقط واي باك مشين.
^ Appel, Aaron M.; Bercaw, John E.; Bocarsly, Andrew B.; Dobbek, Holger; Dubois, Daniel L.; Dupuis, Michel; Ferry, James G.; Fujita, Etsuko; Hille, Russ; Kenis, Paul J. A.; Kerfeld, Cheryl A.; Morris, Robert H.; Peden, Charles H. F.; Portis, Archie R.; Ragsdale, Stephen W.; Rauchfuss, Thomas B.; Reek, Joost N. H.; Seefeldt, Lance C.; Thauer, Rudolf K.; Waldrop, Grover L. (2013). Fixation". Chemical Reviews. 113 (8): 6621. doi:10.1021/cr300463y. PMC 3895110. PMID 23767781.
^ Carmo, M; Fritz D; Mergel J; Stolten D (2013). "A comprehensive review on PEM water electrolysis". Journal of Hydrogen Energy. 38 (12): 4901. doi:10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.