الخلية الإلكتروليتية: الأجزاء وكيفية عملها والتطبيقات - كيمياء - 2026

في خلية التحليل الكهربائي هو المتوسطة حيث يتم استخدام الطاقة أو تيار كهربائي لتنفيذ غير عفوية رد فعل للحد من أكسيد. يتكون من قطبين: الأنود والكاثود.

يحدث التأكسد في القطب الموجب (+) ، حيث تفقد بعض العناصر أو المركبات الإلكترونات في هذا الموقع ؛ بينما في الكاثود (-) ، الاختزال ، حيث تكتسب بعض العناصر أو المركبات إلكترونات.

المصدر: بواسطة RodEz2 ، من ويكيميديا ​​كومنز

في الخلية الإلكتروليتية ، يحدث تحلل بعض المواد ، المتأينة سابقًا ، من خلال عملية تعرف باسم التحليل الكهربائي.

ينتج عن تطبيق التيار الكهربائي اتجاه في حركة الأيونات في الخلية الإلكتروليتية. تهاجر الأيونات الموجبة الشحنة (الكاتيونات) نحو كاثود الشحن (-).

وفي الوقت نفسه ، تهاجر الأيونات سالبة الشحنة (الأنيونات) نحو الأنود المشحون (+). يشكل نقل الشحنة هذا تيارًا كهربائيًا (الصورة العلوية). في هذه الحالة ، يتم إجراء التيار الكهربائي بواسطة محاليل الإلكتروليت الموجودة في حاوية الخلية الإلكتروليتية.

ينص قانون فاراداي للتحليل الكهربائي على أن كمية المادة التي تخضع للأكسدة أو الاختزال في كل قطب كهربي تتناسب طرديًا مع كمية الكهرباء التي تمر عبر الخلية أو الخلية.

القطع

تتكون الخلية الإلكتروليتية من وعاء حيث يتم ترسيب المادة التي ستخضع للتفاعلات التي تحدثها الشحنة الكهربائية.

تحتوي الحاوية على زوج من الأقطاب الكهربائية المتصلة ببطارية تيار مباشر. تصنع الأقطاب الكهربائية المستخدمة عادة من مادة خاملة ، أي أنها لا تشارك في التفاعلات.

يمكن توصيل مقياس التيار الكهربائي في سلسلة مع البطارية لقياس شدة التيار المتدفق عبر محلول الإلكتروليت. أيضا ، يتم وضع الفولتميتر بالتوازي لقياس فرق الجهد بين زوج من الأقطاب الكهربائية.

كيف تعمل الخلية الإلكتروليتية؟

التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم المنصهر

يُفضل كلوريد الصوديوم المنصهر على كلوريد الصوديوم الصلب ، لأن الأخير لا يوصل الكهرباء. تهتز الأيونات داخل بلوراتك ، لكنها ليست حرة في الحركة.

تفاعل الكاثود

أقطاب مصنوعة من الجرافيت ، مادة خاملة ، متصلة بأطراف البطارية. قطب كهربائي متصل بالطرف الموجب للبطارية ، مكونًا القطب الموجب (+).

وفي الوقت نفسه ، يتم توصيل القطب الآخر بالطرف السالب للبطارية ، مكونًا الكاثود (-). عندما يتدفق التيار من البطارية ، يتم ملاحظة ما يلي:

في القطب السالب (-) هناك تخفيض نا ⁺ أيون ، والتي عندما كسب إلكترون وتحويله إلى نا المعدني:

Na ⁺ + e ^- => Na (l)

يطفو الصوديوم المعدني الأبيض الفضي فوق كلوريد الصوديوم المنصهر.

تفاعل الأنود

على العكس من ذلك، في القطب الموجب (+) أكسدة الكلور ^- يحدث أيون ، لأنه يفقد الإلكترونات وتتحول إلى غاز الكلور (الكلور ₂)، وهي العملية التي تتجلى بظهور في القطب الموجب من الغاز لون أخضر شاحب. يمكن تحديد التفاعل الذي يحدث عند الأنود على النحو التالي:

2Cl ^- => Cl ₂ (ز) + 2 هـ ^-

إن تشكيل غاز Na و Cl ₂ المعدني من NaCl ليس عملية تلقائية ، تتطلب درجات حرارة أعلى من 800 درجة مئوية حتى تحدث. يوفر التيار الكهربائي الطاقة للتحول المشار إليه ليحدث في أقطاب خلية التحليل الكهربائي.

تستهلك الإلكترونات عند الكاثود (-) في عملية الاختزال ويتم إنتاجها عند الأنود (+) أثناء الأكسدة. لذلك ، تتدفق الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية للخلية الإلكتروليتية من القطب الموجب إلى القطب السالب.

توفر بطارية التيار المباشر الطاقة للإلكترونات لتتدفق بشكل غير تلقائي من القطب الموجب (+) إلى القطب السالب (-).

الخلية السفلية

الخلية السفلية هي تكيف للخلية الإلكتروليتية الموصوفة والمستخدمة للإنتاج الصناعي للصوديوم المعدني وغاز الكلور.

تحتوي الخلية الإلكتروليتية في داون على أجهزة تسمح بجمع الصوديوم المعدني وغاز الكلور بشكل منفصل. لا تزال طريقة إنتاج الصوديوم المعدني هذه عملية للغاية.

بمجرد إطلاقه عن طريق التحليل الكهربائي ، يتم تصريف الصوديوم المعدني السائل وتبريده وتقطيعه إلى كتل. في وقت لاحق ، يتم تخزينه في وسط خامل ، حيث يمكن أن يتفاعل الصوديوم بشكل انفجاري عن طريق ملامسته للماء 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.

التطبيقات

التوليفات الصناعية

- في الصناعة ، تُستخدم الخلايا الإلكتروليتية في التكرير الكهربائي والطلاء بالكهرباء لمختلف المعادن غير الحديدية. يتم إنتاج جميع الألومنيوم والنحاس والزنك والرصاص عالي النقاء تقريبًا صناعيًا في خلايا التحليل الكهربائي.

- ينتج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء. يستخدم هذا الإجراء الكيميائي أيضًا في الحصول على الماء الثقيل (D ₂ O).

يتم الحصول على المعادن مثل Na و K و Mg عن طريق التحليل الكهربائي للكهارل المنصهرة. أيضًا ، يتم الحصول على غير المعادن مثل الفلوريدات والكلوريدات عن طريق التحليل الكهربائي. علاوة على ذلك ، يتم تصنيع مركبات مثل NaOH و KOH و Na ₂ CO ₃ و KMnO ₄ بنفس الإجراء.

طلاء وتنقية المعادن

- تُعرف عملية طلاء المعدن السفلي بمعدن عالي الجودة بالطلاء الكهربائي. والغرض من ذلك هو منع تآكل المعدن السفلي وجعله أكثر جاذبية. تستخدم الخلايا الالكتروليتية في الطلاء الكهربائي لهذا الغرض.

- يمكن صقل المعادن النقية عن طريق التحليل الكهربائي. في حالة النحاس ، يتم وضع صفائح رقيقة جدًا من المعدن على القطب السالب وقضبان كبيرة من النحاس غير النقي ليتم صقلها على القطب الموجب.

- استخدام العناصر المكسوة بالقشرة شائع في المجتمع. المجوهرات وأدوات المائدة تكون عادة من الفضة ؛ يتم ترسيب الذهب بالكهرباء على المجوهرات والتلامسات الكهربائية. العديد من الأشياء مغطاة بالنحاس لأغراض الديكور.

-السيارات مزودة برفارف من الفولاذ المطلي بالكروم وأجزاء أخرى. يستغرق طلاء الكروم لمصد السيارة 3 ثوانٍ فقط من الترسيب الكهربائي للكروم لإنتاج سطح لامع بسمك 0.0002 مم.

- الترسيب الكهربائي السريع للمعدن ينتج أسطحًا سوداء وخشنة. ينتج عن الترسيب الكهربائي البطيء أسطح ناعمة. "علب الصفيح" مصنوعة من الفولاذ المطلي بالقصدير عن طريق التحليل الكهربائي. أحيانًا تكون هذه العلب مطلية بالكروم في جزء من الثانية بسمك طبقة الكروم رقيقة للغاية.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. كيمياء. (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
2. التحضير الطبي الإلكتروني. (2018). تطبيقات التحليل الكهربائي. تم الاسترجاع من: emedicalprep.com
3. ويكيبيديا. (2018). خلية كهربائيا. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
4. البروفيسور شابلي ب. (2012). الخلايا الجلفانية والإلكتروليتية. تم الاسترجاع من: butane.chem.uiuc.edu
5. بودنر ريسيرتش ويب. (سادس). خلايا التحليل الكهربائي. تم الاسترجاع من: chemed.chem.purdue.edu