تحليل كهربائي

التحليل الكهربائي Electrolysis عملية يمر فيها تيار كهربائي خلال سائل، فيُحْدِث تفاعلاً كيميائيًا. فإذا كان السائل هو الماء فإنه يتحلل إلى عنصريه ـ الهيدروجين والأكسجين. أما إذا كان السائل محلولاً يحتوي على فلز ما، فإن التحليل الكهربائي يؤدي إلى تفكك المحلول بحيث يترسب الفلز.

والتحليل الكهربائي للمحاليل الفلزية وسيلة مفيدة في تغليف بعض المواد بأغلفة فلزية وفي تكرير وتنقية الفلزات.

كيف يعمل التحليل الكهربائي؟ يتجمع غاز الهيدروجين أثناء عملية التحليل الكهربائي للماء بالكاثود، بينما يتجمع غاز الأكسجين عند الأنود. تبين الأسهم اتجاه سريان الإلكترونات.

$\mathrm {+\ 2e^{-}+\ 2H^{+}\longrightarrow \ }$

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

كيف يعمل التحليل الكهربائي

للقيام بالتحليل الكهربائي يُوضع موصلان كهربائيان، كقضيبين من الجرافيت أو فلز مثلاً، في سائل. يسمى هذان القضيبان قطبين كهربائيين. يُوصل القطبان إلى أطراف بطارية أو مولد تيار مستمر بأسلاك ولابد أن يحتوي السائل على إلكتروليت يمكنه من حمل التيار وإكمال الدائرة الكهربائية. فعلى سبيل المثال، لايمكن تحليل الماء المقطر كهربائيًا إلا إذا أُضيف إليه قليل من ملح الطعام (كلوريد الصوديوم) وهو إلكتروليت معروف. يُكوّن القطبان الكهربائيان والسائل والوعاء الذي يجمعها ما يسمى بخلية التحليل الكهربائي. ويُسمى القطب الكهربائي الموصل إلى قطب البطارية السالب بالكاثود، وهو يحمل الإلكترونات من البطارية إلى خلية التحليل الكهربائي، بينما يُسمى القطب الموصل إلى قطب البطارية الموجب بالأنود، وهو يحمل الإلكترونات من خلية التحليل الكهربائي إلى البطارية.

عندما يسري التيار الكهربائي خلال خلية التحليل الكهربائي، تحدث تغيرات كيميائية عند سطح كل من القطبين الكهربائيين. فعند الكاثود يتحد السائل المتحلل مع الإلكترونات القادمة من البطارية، وتُسمى هذه العملية بالاختزال. أما عند الأنود فإن السائل يفقد إلكترونات يعطيها للمصعد، وتسمى هذه العملية بالأكسدة.

وفي عملية التحليل الكهربائي للماء، يُختزل الماء عند الكاثود إلى هيدروجين باتحاده مع الإلكترونات، بينما يفقد الماء عند الأنود إلكترونات. وبذلك يتأكسد، متحولاً إلى غاز الأكسجين. وغالبًا ما يبلغ حجم الهيدروجين الناتج ضعف حجم الأكسجين، نظرًا لأن الماء يحتوي على ذرّتَي هيدروجين لكل ذرة أكسجين. المعادلة الكيميائية الدالة على العمليات التي تحدث عند التحليل الكهربائي للماء هي:

2H2O¶2H2 + O2

في التحليل الكهربائي للمحاليل المحتوية على أيونات (ذرات مشحونة) يؤدي اختزال الفلز عند الكاثود إلى ترسيب بعض الفلزات مثل النحاس والفضة مما يسبب طلاء الكاثود به.

استخدامات التحليل الكهربائي

يؤدي التحليل الكهربائي دورًا هامًا في الصناعة. فينتج فلز الصوديوم مثلاً بتحليل كلوريد الصوديوم المنصهر، وينتج أيضًا في هذه العملية غاز الكلور عند الأنود. ولكل من فلز الصوديوم وغاز الكلور استخدامات صناعية وكيميائية مهمة. وينتج التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم الذائب في الماء مادة كيميائية هامة أخرى هي هيدروكسيد الصوديوم (الصودا الكاوية).

Hall-Heroult process for producing aluminium

ينتج المغنسيوم والألومنيوم وبعض الفلزات الأخرى تجاريًا بالتحليل الكهربائي، فيتم الحصول على فلز الألومنيوم بوساطة التحليل الكهربائي للألومينا الذائبة في معدن الكريوليت المنصهر. وينقى النحاس وغيره من الفلزات بالتحليل الكهربائي. فإذا كان الأنود قضيبًا من نحاس غير نقي، وكان الكاثود قضيبًا من نحاس نقي، فإن القضيب غير النقي يذوب أثناء التحليل الكهربائي في أيونات النحاس Cu+2 ويترسب النحاس النقي من هذا القضيب على سطح الكاثود، بينما تترسب كل الشوائب الموجودة في المصعد إلى قاع خلية التحليل الكهربائي ويمكن إزالتها بعد ذلك.

تشمل المواد الكيميائية المنتجة تجاريًا باستخدام التحليل الكهربائي: ثاني أكسيد المنجنيز، وبيروكسيد الهيدروجين، والكلورات، والبيركلورات. ويستخدم كل من بيروكسيد الهيدروجين والبيركلورات في وقود الصواريخ. كما يُستخدم التحليل الكهربائي أيضًا في أنودة سطوح الفلزات لزخرفتها أو لجعلها أكثر مقاومة للتآكل.

قوانين التحليل الكهربائي

كان الكيميائي الإنجليزي مايكل فارادي واحدًا من أوائل العلماء الذين بحثوا في التحليل الكهربائي، وقد استطاع بعد كثير من التجارب والحسابات الدقيقة أن يحدد القوانين الثلاثة الآتية التي تحكم عملية التحليل الكهربائي:

Half-reaction	E° (V)	Ref.
&	0
Na⁺ + e⁻ $\rightleftharpoons$ Na(s)	-2.71 −2.71	^[1]
Zn²⁺ + 2 e⁻ $\rightleftharpoons$ Zn(s)	-0.7618 −0.7618	^[2]
H 2 H⁺ + 2 e⁻ $\rightleftharpoons$ H₂(g)	0 ≡ 0
Br₂(aq) + 2 e⁻ $\rightleftharpoons$ 2 Br⁻	+1.0873	^[2]
O₂(g) + 4 H⁺ + 4 e⁻ $\rightleftharpoons$ 2 H₂O	+1.23	^[1]
Cl₂(g) + 2 e⁻ $\rightleftharpoons$ 2 Cl⁻	+1.36	^[1]
S₂O₈²⁻ + 2 e⁻ $\rightleftharpoons$ 2SO₄²⁻	+2.07	^[1]

1- لا تعتمد قدرة تيار كهربائي على إحداث تحليل كهربائي على المسافة بين القطبين الكهربائيين. 2- تتناسب كمية المادة المتحللة كهربائيًا مع كمية الكهرباء المستخدمة. 3- تتناسب كمية المادة المتحللة كهربائيًا أيضًا مع المكافئ الكيميائي للمادة. المكافئ الكيميائي لفلز يساوي الوزن الذري (بالجرامات) مقسومًا على التكافؤ.

وجد فارادي أن تحليل المكافئ الواحد لأي فلز يتطلب 96,500 كولوم من الكهرباء. وعلى سبيل المثال فإن الوزن الذري للنحاس هو 63,54 وتكافؤ النحاس2، وعلى هذا يصبح المكافئ الكيميائي للنحاس هو 31,77جم. هذه الكمية من النحاس سوف تترسب على الأنود عندما تمر كمية من الكهرباء مقدارها 96,500 كولوم في المحلول. ويقاس عدد الكولومات الذي ينساب في كل ثانية بوحدات تُسمى الأمبير.

ويمكن اعتبار الفولطية (فرق الجهد) مشابهًا للضغط الكهربائي الذي يدفع كمية الكهرباء خلال الدائرة. وللفولطية في عملية التحليل الكهربائي نفس أهمية التيار. ولابد من وجود حد أدنى من الفولطية لإجراء عملية التحليل الكهربائي لمادة معينة. فتحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين عند درجة حرارة 25°م مثلاً يتطلب 1,23 فولط.

التجارب

Scientific pioneers of electrolysis included:

Pioneers of batteries:

More recently, electrolysis of heavy water was performed by Fleischmann and Pons in their famous experiment, resulting in anomalous heat generation and the discredited claim of cold fusion.

انظر أيضاً

المصادر

^ ^أ ^ب ^ت ^ث Peter Atkins (1997). Physical Chemistry, 6th edition (W.H. Freeman and Company, New York).
^ ^أ ^ب Vanýsek, Petr (2007). “Electrochemical Series”, in Handbook of Chemistry and Physics: 88^th Edition (Chemical Rubber Company).

الموسوعة المعرفية الشاملة

الكلمات الدالة:

[Atk-1] أ ^ب ^ت ^ث Peter Atkins (1997). Physical Chemistry, 6th edition (W.H. Freeman and Company, New York).

[van88-2] أ ^ب Vanýsek, Petr (2007). “Electrochemical Series”, in Handbook of Chemistry and Physics: 88^th Edition (Chemical Rubber Company).

[1]

[2]

v t e Articles related to electrolysis
Principles of electrolysis	Electrochemical cell • Electrolytic process • Faraday's laws of electrolysis • Half cell • High-temperature electrolysis • High pressure electrolysis • Regenerative fuel cell • Solid oxide electrolyser cell • Unitized regenerative fuel cell • Standard electrode potential
Electrolytic processes	Betts electrolytic process • Castner process • Castner-Kellner process • Chloralkali process • Downs cell • Electrolysis of water • Electrowinning • Hall-Héroult process • Hofmann voltameter • Kolbe electrolysis
Materials produced by electrolysis	Aluminium • Calcium metal • Chlorine • Copper • Electrolysed water • Fluorine • Hydrogen • Lithium metal • Magnesium • Potassium metal • Sodium metal • Sodium hydroxide • Zinc
See also	Electrochemistry • Standard electrode potential (data page)