التيار الكهربائي في الإلكتروليتات

يرتبط التيار الكهربائي في الإلكتروليت دائمًا بنقل المادة. في المعادن وأشباه الموصلات ، على سبيل المثال ، لا يتم نقل المادة عندما يمر التيار خلالها ، لأن الإلكترونات والثقوب في هذه الوسائط عبارة عن ناقلات حاملة للتيار ، ولكن يتم نقلها في الإلكتروليتات. هذا لأنه في الإلكتروليتات ، تعمل الأيونات الموجبة والسالبة للمادة كناقلات للشحنات الحرة ، وليس الإلكترونات أو الثقوب على الإطلاق.

تنتمي المركبات المنصهرة من العديد من المعادن ، وكذلك بعض المواد الصلبة ، إلى الإلكتروليتات. لكن الممثلين الرئيسيين لهذا النوع من الموصلات ، والتي تستخدم على نطاق واسع في التكنولوجيا ، هم المحاليل المائية للأحماض غير العضوية والقواعد والأملاح.

المادة ، عندما يمر تيار كهربائي عبر وسط الإلكتروليت ، يتم إطلاقها على الأقطاب الكهربائية. هذه الظاهرة تسمى التحليل الكهربائي... عندما يمر تيار كهربائي عبر المنحل بالكهرباء ، تتحرك الأيونات الموجبة والسالبة للمادة في نفس الوقت في اتجاهين متعاكسين.

تندفع الأيونات السالبة الشحنة (الأنيونات) إلى القطب الموجب للمصدر الحالي (الأنود) ، والأيونات الموجبة الشحنة (الكاتيونات) إلى القطب السالب (الكاثود).

تعتبر مصادر الأيونات في المحاليل المائية للأحماض والقواعد والأملاح جزيئات متعادلة ، ينقسم بعضها بفعل قوة كهربائية مطبقة. تسمى ظاهرة انقسام الجزيئات المحايدة بالتفكك الإلكتروليتي. على سبيل المثال ، يتحلل كلوريد النحاس CuCl2 عند التفكك في محلول مائي إلى أيونات الكلوريد (سالبة الشحنة) والنحاس (مشحون إيجابياً).

عندما يتم توصيل الأقطاب الكهربائية بمصدر تيار ، يبدأ المجال الكهربائي في العمل على الأيونات في محلول أو تذوب ، حيث تنتقل أنيونات الكلور إلى القطب الموجب (القطب الموجب) والكاتيونات النحاسية إلى القطب السالب (القطب السالب).

عند الوصول إلى القطب السالب ، يتم تحييد أيونات النحاس موجبة الشحنة بواسطة الإلكترونات الزائدة عند الكاثود وتصبح ذرات متعادلة تترسب على القطب السالب. عند الوصول إلى القطب الموجب ، تتبرع أيونات الكلور سالبة الشحنة بإلكترون واحد لكل منها أثناء التفاعل مع الشحنة الموجبة على القطب الموجب. في هذه الحالة ، تتحد ذرات الكلور المتعادلة المتكونة في أزواج لتشكيل جزيئات Cl2 ، ويتم إطلاق الكلور على شكل فقاعات غازية عند الأنود.

غالبًا ما تكون عملية التحليل الكهربائي مصحوبة بتفاعل نواتج التفكك (وهذا ما يسمى بالتفاعلات الثانوية) ، عندما تتفاعل نواتج التحلل المنبعثة على الأقطاب الكهربائية مع المذيب أو تتفاعل مباشرة مع مادة القطب الكهربي. خذ ، على سبيل المثال ، التحليل الكهربائي لمحلول مائي من كبريتات النحاس (كبريتات النحاس - CuSO4).في هذا المثال ، ستصنع الأقطاب الكهربائية من النحاس.

ينفصل جزيء كبريتات النحاس لتشكيل أيون نحاسي موجب الشحنة Cu وأيون كبريتات سالب الشحنة SO4-. تترسب ذرات النحاس المحايدة كترسبات صلبة على الكاثود. بهذه الطريقة ، يتم الحصول على النحاس النقي كيميائيًا.

يتبرع أيون الكبريتات بإلكترونين للقطب الموجب ويصبح الراديكالي SO4 ، والذي يتفاعل على الفور مع الأنود النحاسي (تفاعل الأنود الثانوي). منتج التفاعل عند الأنود هو كبريتات النحاس ، والتي تدخل في محلول.

اتضح أنه عندما يمر تيار كهربائي عبر محلول مائي من كبريتات النحاس ، فإن أنود النحاس يذوب تدريجياً ويترسب النحاس على القطب السالب ، وفي هذه الحالة لا يتغير تركيز المحلول المائي لكبريتات النحاس.

في عام 1833 ، وضع الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي ، أثناء عمله التجريبي ، قانون التحليل الكهربائي ، والذي سمي الآن باسمه.

يسمح لك قانون فاراداي بتحديد كمية المنتجات الأولية التي يتم إطلاقها على الأقطاب الكهربائية أثناء التحليل الكهربائي. ينص القانون على ما يلي: "الكتلة m من المادة المنبعثة على القطب أثناء التحليل الكهربائي تتناسب طرديًا مع الشحنة Q التي مرت عبر الإلكتروليت."

يسمى عامل التناسب k في هذه الصيغة بالمكافئ الكهروكيميائي.

كتلة المادة التي يتم إطلاقها على القطب أثناء التحليل الكهربائي تساوي الكتلة الإجمالية لجميع الأيونات التي وصلت إلى هذا القطب:

تحتوي الصيغة على الشحنة q0 وكتلة أيون m0 ، بالإضافة إلى الشحنة Q التي مرت عبر الإلكتروليت. N هو عدد الأيونات التي وصلت إلى القطب عندما مرت الشحنة Q عبر الإلكتروليت.لذلك ، فإن نسبة كتلة الأيون m0 إلى شحنته q0 تسمى المكافئ الكهروكيميائي لـ k.

نظرًا لأن شحنة أيون تساوي عدديًا ناتج تكافؤ المادة والشحنة الأولية ، يمكن تمثيل المكافئ الكيميائي بالشكل التالي:

حيث: Na هو ثابت Avogadro ، M هو الكتلة المولية للمادة ، F هو ثابت فاراداي.

في الواقع ، يمكن تعريف ثابت فاراداي على أنه مقدار الشحنة التي يجب أن تمر عبر الإلكتروليت لتحرير مول واحد من مادة أحادية التكافؤ على القطب. ثم يأخذ قانون فاراداي للتحليل الكهربائي الشكل:

تستخدم ظاهرة التحليل الكهربائي على نطاق واسع في الإنتاج الحديث. على سبيل المثال ، يتم إنتاج الألومنيوم والنحاس والهيدروجين وثاني أكسيد المنغنيز وبيروكسيد الهيدروجين صناعياً عن طريق التحليل الكهربائي. يتم استخراج العديد من المعادن من الخامات ومعالجتها بالتحليل الكهربائي (التكرير الكهربائي والاستخراج الكهربائي).

أيضًا ، بفضل التحليل الكهربائي ، مصادر التيار الكيميائي... يستخدم التحليل الكهربائي في معالجة مياه الصرف الصحي (الاستخراج الكهربائي ، التخثير الكهربي ، الختم الكهربائي). يتم الحصول على العديد من المواد (المعادن ، الهيدروجين ، الكلور ، إلخ) عن طريق التحليل الكهربائي للطلاء الكهربائي والطلاء الكهربائي.

أنظر أيضا:إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للمياه - التكنولوجيا والمعدات