يعتبر السؤال عن ماهية التحليل الكهربائي في مقرر الفيزياء المدرسية ، وهو ليس سراً بالنسبة لمعظم الناس. شيء آخر هو أهميتها وتطبيقها العملي. تُستخدم هذه العملية بفائدة كبيرة في مختلف الصناعات ويمكن أن تكون مفيدة للحرفيين المنزليين.
محتوى
ما هو التحليل الكهربائي؟
التحليل الكهربائي عبارة عن مجموعة معقدة من العمليات المحددة في نظام الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت عندما يتدفق تيار كهربائي مباشر خلالها. تعتمد آليتها على حدوث تيار أيوني. المنحل بالكهرباء هو موصل من النوع 2 (الموصلية الأيونية) الذي يحدث فيه التفكك الإلكتروليتي. يرتبط بالتحلل إلى أيونات موجبة (الكاتيون) وسالب (أنيون) تكلفة.
يحتوي نظام التحليل الكهربائي بالضرورة على (الأنود) وسالب (الكاثود) قطب كهربائي. عندما يتم تطبيق تيار كهربائي مباشر ، تبدأ الكاتيونات في التحرك نحو الكاثود ، والأنيونات - نحو الأنود. الكاتيونات هي في الأساس أيونات معدنية وهيدروجين ، والأنيونات هي الأكسجين والكلور. في الكاثود ، تربط الكاتيونات الإلكترونات الزائدة بنفسها ، مما يضمن حدوث تفاعل الاختزال Men + + ne → Me (حيث n هي تكافؤ المعدن). في الأنود ، على العكس من ذلك ، يتم التبرع بإلكترون من الأنيون مع حدوث تفاعل مؤكسد.
وبالتالي ، يتم توفير عملية الأكسدة والاختزال في النظام. من المهم مراعاة أنه لتدفقها ، هناك حاجة إلى الطاقة المناسبة. يجب أن يتم توفيره من قبل مصدر تيار خارجي.
قوانين فاراداي للتحليل الكهربائي
سمح الفيزيائي العظيم م. فاراداي ، من خلال بحثه ، ليس فقط بفهم طبيعة التحليل الكهربائي ، ولكن أيضًا لإجراء الحسابات اللازمة لتنفيذه. في عام 1832 ، ظهرت قوانينه التي تربط بين المعالم الرئيسية للعمليات الجارية.
القانون الأول
ينص قانون فاراداي الأول على أن كتلة المادة التي يتم تقليلها عند الأنود تتناسب طرديًا مع الشحنة الكهربائية المستحثة في الإلكتروليت: م = كق = ك * أنا * تي ، حيث q هي الشحنة ، ك هو المعامل أو المكافئ الكهروكيميائي من المادة ، أنا هي قوة التيار المتدفق عبر المنحل بالكهرباء ، تي هو وقت المرور الحالي.
القانون الثاني
جعل قانون فاراداي الثاني من الممكن تحديد معامل التناسب k. يبدو مثل هذا: المكافئ الكهروكيميائي لأي مادة يتناسب طرديا مع كتلتها المولية ويتناسب عكسيا مع التكافؤ. يتم التعبير عن القانون على النحو التالي:
ك = 1 / و * أ / ض، حيث F ثابت فاراداي ، أ الكتلة المولية للمادة ، z هي التكافؤ الكيميائي لها.
مع الأخذ في الاعتبار كلا القانونين ، من الممكن اشتقاق الصيغة النهائية لحساب الكتلة المودعة على القطب الكهربي للمادة: م = A * I * t / (n * F)، حيث n هو عدد الإلكترونات المشاركة في التحليل الكهربائي. عادة n تقابل شحنة الأيون. من وجهة نظر عملية ، فإن العلاقة بين كتلة المادة والتيار المطبق مهمة ، مما يجعل من الممكن التحكم في العملية من خلال تغيير قوتها.
التحليل الكهربائي الذائب
أحد خيارات التحليل الكهربائي هو استخدام المادة المنصهرة كإلكتروليت. في هذه الحالة ، تشارك الأيونات الذائبة فقط في عملية التحليل الكهربائي. المثال الكلاسيكي هو التحليل الكهربائي للملح المصهور كلوريد الصوديوم (ملح). تندفع الأيونات السالبة إلى الأنود ، مما يعني إطلاق الغاز (Cl). سيحدث اختزال المعادن عند الكاثود ، أي يتكون ترسب Na نقي من أيونات موجبة تجتذب الإلكترونات الزائدة. يمكن الحصول على معادن أخرى بالمثل (K ، Ca ، Li ، إلخ.) من مذبحة الأملاح المقابلة.
أثناء التحليل الكهربائي في المصهور ، لا تخضع الأقطاب الكهربائية للانحلال ، ولكنها تشارك فقط كمصدر حالي. في تصنيعها ، يمكنك استخدام المعادن والجرافيت وبعض أشباه الموصلات. من المهم أن يكون للمادة موصلية كافية. أحد أكثر المواد شيوعًا هو النحاس.
ميزات التحليل الكهربائي في المحاليل
يختلف التحليل الكهربائي في محلول مائي اختلافًا كبيرًا عن الذوبان. تتم هنا ثلاث عمليات متنافسة: أكسدة الماء مع تطور الأكسجين ، وأكسدة الأنيون ، والانحلال الأنودي للمعدن. وتشارك أيونات الماء والكهارل والأنود في هذه العملية.وفقًا لذلك ، يمكن أن يحدث اختزال الهيدروجين ، وكاتيونات الإلكتروليت ، ومعدن الأنود عند الكاثود.
تعتمد إمكانية حدوث هذه العمليات المتنافسة على حجم الإمكانات الكهربائية للنظام. فقط العملية التي تتطلب طاقة خارجية أقل ستستمر. وبالتالي ، سيتم تقليل الكاتيونات ذات الجهد الكهربائي الأقصى عند الكاثود ، وستتأكسد الأنيونات ذات الجهد المنخفض عند القطب الموجب. يؤخذ الجهد الكهربائي للهيدروجين على أنه "0". على سبيل المثال ، بالنسبة للبوتاسيوم فهو (-2.93 فولت)، صوديوم - (-2.71 فولت)، قيادة (-0.13 فولت) ، بينما تحتوي الفضة على (+0.8 فولت).
التحليل الكهربائي في الغازات
يمكن للغاز أن يلعب دور المنحل بالكهرباء فقط في وجود مؤين. في هذه الحالة ، يتسبب التيار الذي يمر عبر الوسط المؤين في العملية اللازمة على الأقطاب الكهربائية. ومع ذلك ، لا تنطبق قوانين فاراداي على التحليل الكهربائي للغاز. لتنفيذه ، الشروط التالية ضرورية:
- بدون التأين الاصطناعي للغاز ، لن يساعد الجهد العالي ولا التيار العالي.
- فقط الأحماض التي لا تحتوي على الأكسجين وتكون في حالة غازية ، وبعض الغازات مناسبة للتحليل الكهربائي.
مهم! عندما يتم استيفاء الشروط اللازمة ، تستمر العملية بشكل مشابه للتحليل الكهربائي في سائل إلكتروليت.
ملامح العمليات التي تحدث عند الكاثود والأنود
من أجل التطبيق العملي للتحليل الكهربائي ، من المهم فهم ما يحدث لكلا القطبين عند تطبيق تيار كهربائي. العمليات النموذجية هي:
- كاثود. تندفع الأيونات المشحونة إيجابيا إليها. هنا ، يتم تقليل المعادن أو تطور الهيدروجين. هناك عدة فئات من المعادن حسب النشاط الموجب.يتم تقليل المعادن مثل Li و K و Ba و St و Ca و Na و Mg و Be و Al جيدًا فقط من الأملاح المنصهرة. إذا تم استخدام محلول ، يتم إطلاق الهيدروجين بسبب التحليل الكهربائي للماء. من الممكن تحقيق اختزال في المحلول ، ولكن بتركيز كافٍ من الكاتيونات ، للمعادن التالية - Mn ، Cr ، Zn ، Fe ، Cd ، Ni ، Ti ، Co ، Mo ، Sn ، Pb. تستمر العملية بسهولة أكبر مع Ag ، Cu ، Bi ، Pt ، Au ، Hg.
- الأنود. تدخل الأيونات السالبة الشحنة هذا القطب. تتأكسد ، تأخذ الإلكترونات من المعدن ، مما يؤدي إلى انحلالها الأنودي ، أي الانتقال إلى أيونات موجبة الشحنة ، والتي يتم إرسالها إلى الكاثود. تصنف الأنيونات أيضًا وفقًا لنشاطها. مثل هذه الأنيونات PO4، CO3، SO4، NO3، NO2، ClO4، F لا يمكن تصريفها إلا من الذوبان.في المحاليل المائية ، لا يخضعون للتحليل الكهربائي ، ولكن الماء مع إطلاق الأكسجين. الأنيونات مثل OH ، Cl ، I ، S ، Br تتفاعل بسهولة أكبر.
عند ضمان التحليل الكهربائي ، من المهم مراعاة ميل مادة القطب إلى التأكسد. في هذا الصدد ، تبرز الأنودات الخاملة والنشطة. الأقطاب الكهربائية الخاملة مصنوعة من الجرافيت أو الكربون أو البلاتين ولا تشارك في توريد الأيونات.
العوامل المؤثرة في عملية التحليل الكهربائي
تعتمد عملية التحليل الكهربائي على العوامل التالية:
- تكوين المنحل بالكهرباء. الشوائب المختلفة لها تأثير كبير. وهي مقسمة إلى 3 أنواع - الكاتيونات والأنيونات والمواد العضوية. يمكن أن تكون المواد سلبية أكثر أو أقل من المعدن الأساسي ، مما يتداخل مع العملية. من بين الشوائب العضوية ، تبرز الملوثات (مثل الزيوت) والمواد الخافضة للتوتر السطحي. تركيزهم له القيم القصوى المسموح بها.
- كثافة التيار. وفقًا لقوانين فاراداي ، تزداد كتلة المادة المودعة مع زيادة القوة الحالية. ومع ذلك ، تنشأ ظروف غير مواتية - الاستقطاب المركز ، وزيادة الجهد ، والتسخين الشديد للكهارل. مع وضع ذلك في الاعتبار ، توجد قيم مثالية لكثافة التيار لكل حالة محددة.
- المنحل بالكهرباء الرقم الهيدروجيني. يتم اختيار حموضة البيئة أيضًا مع مراعاة المعادن. على سبيل المثال ، القيمة المثلى لحموضة الإلكتروليت للزنك هي 140 جم / متر مكعب.
- درجة حرارة المنحل بالكهرباء. لها تأثير غامض. مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد معدل التحليل الكهربائي ، لكن نشاط الشوائب يزداد أيضًا. هناك درجة حرارة مثالية لكل عملية. عادة ما يكون في حدود 38-45 درجة.
مهم! يمكن تسريع أو إبطاء التحليل الكهربائي من خلال تأثيرات مختلفة واختيار تركيبة المنحل بالكهرباء. كل تطبيق له نظامه الخاص ، والذي يجب مراعاته بدقة.
أين يتم استخدام التحليل الكهربائي؟
يستخدم التحليل الكهربائي في العديد من المجالات. هناك العديد من مجالات الاستخدام الرئيسية للحصول على نتائج عملية.
الكهربائي
يمكن استخدام طلاء معدني رفيع ودائم عن طريق التحليل الكهربائي. يتم تثبيت المنتج المراد طلاؤه في الحمام على شكل كاثود ، ويحتوي الإلكتروليت على ملح من المعدن المطلوب. لذلك يمكنك تغطية الفولاذ بالزنك أو الكروم أو القصدير.
التكرير الكهربائي - تكرير النحاس
يمكن أن يكون أحد الأمثلة على التنظيف الكهربائي هو الخيار التالي: الكاثود - النحاس النقي الأنود - النحاس مع الشوائب ، بالكهرباء - محلول مائي من كبريتات النحاس. يمر النحاس من الأنود إلى الأيونات ويستقر في القطب السالب بالفعل بدون شوائب.
تعدين المعادن
للحصول على المعادن من الأملاح ، يتم نقلها إلى المصهور ، ثم يتم توفير التحليل الكهربائي فيها. هذه الطريقة فعالة للغاية للحصول على الألومنيوم من البوكسيت والصوديوم والبوتاسيوم.
أنودة
في هذه العملية ، يتكون الطلاء من مركبات غير معدنية. المثال الكلاسيكي هو طلاء الألمنيوم بأكسيد الألومنيوم. يتم تثبيت جزء الألومنيوم كأنود. المنحل بالكهرباء هو محلول حمض الكبريتيك. نتيجة للتحليل الكهربائي ، يتم ترسيب طبقة من أكسيد الألومنيوم على الأنود ، والتي لها خصائص وقائية وزخرفية. تستخدم هذه التقنيات على نطاق واسع في مختلف الصناعات. يمكنك تنفيذ العمليات بيديك وفقًا للوائح السلامة.
تكاليف الطاقة
يتطلب التحليل الكهربائي تكاليف طاقة عالية. ستكون العملية ذات قيمة عملية إذا كان تيار الأنود كافياً ، ولهذا من الضروري تطبيق تيار مباشر كبير من مصدر الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، عند تنفيذه ، تحدث خسائر في الجهد الجانبي - الجهد الزائد للأنود والكاثود ، خسائر في المنحل بالكهرباء بسبب مقاومته. يتم تحديد كفاءة التركيب من خلال ربط طاقة استهلاك الطاقة بوحدة الكتلة المفيدة للمادة التي تم الحصول عليها.
تم استخدام التحليل الكهربائي في الصناعة لفترة طويلة وبكفاءة عالية. أصبحت الطلاءات المؤكسدة والمطلية بالكهرباء شائعة في الحياة اليومية ، ويساعد التعدين وإثراء المواد في استخراج العديد من المعادن من الركاز. يمكن تخطيط العملية وحسابها ، مع معرفة أنماطها الرئيسية.
مقالات مماثلة:
