خلية التحليل الكهربائي: الأجزاء ، كيف تعمل والتطبيقات
الخلية كهربائيا هي وسيلة حيث يتم استخدام الطاقة أو التيار الكهربائي لأداء تفاعل الحد من الأكسدة غير التلقائي. وتتكون من قطبين: الأنود والكاثود.
عند حدوث الأنود (+) يحدث الأكسدة ، حيث تفقد بعض العناصر أو المركبات الإلكترونات في هذا الموقع ؛ بينما في الكاثود (-) ، فإن الاختزال ، حيث أن بعض العناصر أو المركبات تكتسب الإلكترونات.
يحدث في الخلية الإلكتروليتية تحلل بعض المواد ، المؤينة سابقًا ، من خلال عملية تعرف باسم التحليل الكهربائي.
ينتج عن تطبيق التيار الكهربائي اتجاه في حركة الأيونات في الخلية كهربائيا. الأيونات الموجبة الشحنة (الكاتيونات) تهاجر إلى الكاثود المسؤول (-).
وفي الوقت نفسه ، فإن أيونات سالبة الشحنة (الأنيونات) تهاجر نحو الأنود المشحون (+). يمثل نقل الشحنة هذا تيارًا كهربائيًا (الصورة العليا). في هذه الحالة ، يتم إجراء التيار الكهربائي بواسطة محاليل إلكتروليت ، موجودة في حاوية الخلية كهربائيا.
ينص قانون فاراداي للتحليل الكهربائي على أن كمية المادة التي تخضع للأكسدة أو الاختزال في كل قطب كهربائي تتناسب طرديا مع كمية الكهرباء التي تمر عبر الخلية أو الخلية.
أجزاء
تتكون خلية التحليل الكهربائي من وعاء يتم فيه ترسيب المادة التي ستختبر التفاعلات الناتجة عن الشحن الكهربائي.
يحتوي الوعاء على زوج من الأقطاب الكهربائية المتصلة ببطارية تيار مباشر. الأقطاب الكهربائية التي تستخدم عادة هي من مادة خاملة ، أي أنها لا تتدخل في التفاعلات.
في السلسلة مع البطارية ، يمكن توصيل مقياس التيار الكهربائي لقياس شدة التيار المتدفق عبر المحلول الكهربائي. وبالمثل ، يتم وضع الفولتميتر بالتوازي لقياس فرق الجهد بين زوج الأقطاب.
كيف تعمل الخلية كهربائيا؟
التحليل الكهربائي من كلوريد الصوديوم المنصهر
يفضل استخدام كلوريد الصوديوم المنصهر على كلوريد الصوديوم الصلب ، حيث أن هذا الأخير لا يوصل الكهرباء. تهتز الأيونات داخل بلوراتها ، لكنها ليست حرة في الحركة.
رد فعل الكاثود
يتم توصيل أقطاب الجرافيت ، وهي مادة خاملة ، بأطراف البطارية. يتم توصيل القطب إلى محطة إيجابية للبطارية ، والتي تشكل الأنود (+).
وفي الوقت نفسه ، يتم توصيل القطب الآخر إلى الطرف السلبي للبطارية ، والتي تشكل الكاثود (-). عندما يتدفق التيار القادم من البطارية ، يتم ملاحظة ما يلي:
في الكاثود (-) يوجد انخفاض في Na + أيون ، والذي عند تحويل الإلكترون يتحول إلى Na معدني:
Na + + e- => Na (l)
يطفو الصوديوم المعدني الفضي على كلوريد الصوديوم المنصهر.
تفاعل الأنود
على العكس من ذلك ، يحدث أنود (+) في أكسدة الأنود (Clode) ، لأنه يفقد الإلكترونات ويصبح غاز الكلور (Cl 2 ) ، وهي عملية تتجلى في ظهور غاز في الأنود. لون أخضر شاحب. يمكن تنظيم التفاعل الذي يحدث عند الأنود ، مثل هذا:
2Cl- => Cl 2 (g) + 2 e-
إن تكوين غاز Na و Cl 2 المعدني من NaCl ليس عملية تلقائية ، حيث تتطلب درجات حرارة أعلى من 800 درجة مئوية. يزود التيار الكهربائي الطاقة للتحول المشار إليه في أقطاب الخلية كهربائيا.
يتم استهلاك الإلكترونات في الكاثود (-) ، في عملية الاختزال ويتم إنتاجها في الأنود (+) أثناء الأكسدة. لذلك ، تتدفق الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية للخلية كهربائيا من الأنود إلى الكاثود.
توفر البطارية الحالية المباشرة الطاقة لتدفق الإلكترونات تلقائيًا من الأنود (+) إلى الكاثود (-).
أسفل الخلية
تعتبر الخلية السفلية عبارة عن تكيف للخلية الإلكتروليتية الموصوفة وتستخدم في الإنتاج الصناعي من Na المعدني وغاز الكلور.
تحتوي الخلية المنحللة بالكهرباء في داون على أجهزة تسمح بجمع ، بشكل منفصل ، الصوديوم المعدني وغاز الكلور. هذه الطريقة لإنتاج الصوديوم المعدني تبقى عملية للغاية.
بمجرد إطلاقه بواسطة التحليل الكهربائي ، يتم تصريف الصوديوم المعدني السائل وتبريده وتقطيعه إلى كتل. بعد ذلك ، يتم تخزينه في وسط خامل ، حيث يمكن أن يتفاعل الصوديوم بشكل متفجر عن طريق ملامسة الماء أو الأكسجين الجوي.
يتم إنتاج غاز الكلور في الصناعة ، بشكل رئيسي عن طريق التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم في عملية أقل تكلفة من إنتاج الصوديوم المعدني.
تطبيقات
التوليف الصناعي
- في الصناعة ، تستخدم الخلايا كهربائيا في التنقيب الكهربائي والإيداع الكهربائي لمختلف المعادن غير الحديدية. تقريبا كل الألمنيوم عالي النقاء والنحاس والزنك والرصاص يتم إنتاجها صناعيا في خلايا التحليل الكهربائي.
- يتم إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء. يستخدم هذا الإجراء الكيميائي أيضًا للحصول على الماء الثقيل (D 2 O).
- يتم الحصول على المعادن مثل Na و K و Mg بواسطة التحليل الكهربائي للشوارد المنصهرة. أيضا ، يتم الحصول على غير المعادن مثل الفلوريد والكلوريدات عن طريق التحليل الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تصنيع مركبات مثل NaOH و KOH و Na 2 CO 3 و KMnO 4 بواسطة نفس الإجراء.
طلاء وتكرير المعادن
- عملية الطلاء المعدني السفلي ذات المعدن العالي الجودة تعرف باسم الطلاء الكهربائي. والغرض من ذلك هو منع تآكل المعدن السفلي وجعله أكثر جاذبية. في الطلاء الكهربائي ، تستخدم الخلايا كهربائيا لهذا الغرض.
- يمكن تكرير المعادن النجاسة عن طريق التحليل الكهربائي. في حالة النحاس ، توضع صفائح رقيقة من المعدن على الكاثود ، ويتم تكرير قضبان كبيرة من النحاس النقي في الأنود.
-استخدام المواد المكسوة بالقشرة أمر شائع في المجتمع. المجوهرات وأدوات المائدة وغالبا ما تكون الفضة. يتم تفريغ الذهب كهربائيا في المجوهرات والاتصالات الكهربائية. العديد من الأشياء مغطاة بالنحاس لأغراض زخرفية.
-السيارات لها درابزين وقطع أخرى من الصلب المطلي بالكروم. يستغرق كروم الدفاع عن السيارة 3 ثوان فقط من الإلكترودوم من الكروم لإنتاج سطح لامع يبلغ سمكه 0.0002 مم.
-التفريغ الكهربائي السريع للمعادن ينتج سطوح سوداء وخشنة. التفريغ الكهربائي البطيء ينتج أسطحاً ناعمة. "علب الصفيح" عبارة عن فولاذ مطلي بالقصدير عن طريق التحليل الكهربائي. في بعض الأحيان ، يتم مطلي هذه العلب بالكروم في جزء من الثانية بسمك طبقة الكروم الرفيعة للغاية.
