خلايا التحليل الكهربائي

الكهرباء مجموعة من الظواهر الفيزيائية المرتبطة بوجود شحنة كهربائية، حيث أن هناك الكثير من الظواهر المرتبطة بالكهرباء بما فيهم البرق والكهرباء السكونية والتدفئة الكهربائية وغيرها الكثير. إن وجود شحنة كهربائية موجبة أو سالبة يخلق مجال كهربائية، حيث إن حركة الشحنات الكهربائية معروفة باسم التيار الكهربائي تُنتج مجالًا مغناطيسيًا، وباختصار الكهرباء هي العلم الذي يدرس سلوك الإلكترونات وتفاعلاتها داخل المادة، وتم اكتشاف أن الألكترون أصغر كتلة على الإطلاق لجسيم حقيقي، والإلكترون عبارة عن شحنة كهربائية وهو أصغر شحنة حقيقية قابلة للقياس، وتكون الإمكانات في مركز غير محدودة ولذلك يمكن لتأثيرها أن يصل إلى نهاية الكون، وسيتحدث هذا المقال عن خلايا التحليل الكهربائي.[١]
خلايا التحليل الكهربائي
خلايا التحليل الكهربائي هي أي جهاز يتم فيه تحويل الطاقة الكهربائية إلى كيميائية أو العكس، وتتكون هذه الخلية عادةً من موصلين معدنيين أو إلكترونيين، أي أنها أقطاب كهربائية معزولة عن بعضها البعض ومتصلة مع المنحل بالكهرباء وعادةً ما يكون مركبًا أيونيًا مُذابًا أو مُنصهرًا ويتم توصيل الأقطاب الكهربائية بمصدر للتيار الكهربائي المباشر أحدهما مشحون بشحنة سالبة والآخر مشحون بشحنة موجبة، حيث تُهاجر الأيونات الموجبة في الإلكتروليت إلى القطب السالب وهو الكاثود، وهناك تتحد مع إلكترون واحد أو أكثر وتفقد جزءًا أو كلًا من شحنتها وتُصبح أيونات موجبة جديدة ذات شحنة منخفضة أو ذرات أو جزيئات محايدة، وفي الوقت نفسه تُهاجر الأيونات السالبة إلى القطب الموجب وهو الأنود وتنقل إلكترونًا واحدًا أو أكثر إليه وتُصبح أيضًا أيونات جديدة أو جزيئات محايدة، وتأثير كلا العمليتين هو نقل الإلكترونات من الأيونات السالبة إلى الأيونات الموجبة، ومثال على ذلك التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم وغاز الكلور وأيضًا التحليل الكهربائي لإنتاج المعادن أو طليها وإنتاج الصودا الكاوية.[٢]
مبدأ عمل خلايا التحليل الكهربائي
توفر البطارية مصدرًا للطاقة الكهربائية، حيث تدفع الإلكترونات إلى الكاثود وتجعله سالبًا، ويتم سحب الإلكترونات أيضًا من الأنود مما يجعلها موجبة الشحنة، وبمجرد حدوث ذلك يتم تنشيط تفاعل الأكسدة والاختزال، حيث أنه عند الأنود يحدث تفاعل الأكسدة مما يؤدي إلى إطلاق الإلكترونات التي تنجذب بعد ذلك إلى القطب موجب الشحنة، وفي نفس الوقت يحدث تفاعل الاختزال في الكاثود والذي يستخدم الإلكترونات التي تتراكم على الكاثود، وبعد كل التفاعلات تكون النتيجة النهائية أن اثنين من الأيونات يتحولان إلى ذرات أو جزيئات محايدة وهذا بسبب الطاقة الكهربائية التي توفرها البطارية لنقل الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود.[٣]
الفرق بين خلايا التحليل الكهربائي والخلايا الجلفانية
الفرق الأساسي بين الخليتين أن أحدهما يستخدم الكهرباء لإجراء تفاعل كيميائي بينما الآخر يولد الكهرباء عن طريق تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية وذلك عند حدوث تفاعل كيميائي، وهناك عدة فروقات بين الخليتين تظهر كما يأتي:[٤]
فيما يخص الخلايا الجلفانية:
الخلية الجلفانية تحول الطاقة الكيميائية إلى كهربائية.
يكون تفاعل الأكسدة والإختزال تلقائيًا وهو مسؤول عن إنتاج الطاقة الكهربائية.
يتم إنشاء خليتين نصفيتين في عبوات مختلفة، ويتم توصيلهما عبر جسر الملح أو التقسيم المسامي.
يتم توفير الإلكترونات بواسطة الأنواع التي تتأكسد، حيث ينتقلون من الأنود إلى الكاثود في الدائرة الخارجية.
في الخلايا الجلفانية يكون الأنود هو القطب السالب والكاثود هو القطب الموجب.
فيما يخص خلايا التحليل الكهربائي:
خلايا التحليل الكهربائي تُحول الطاقة الكهربائية إلى كيميائية.
تفاعل الأكسدة والإختزال غير تلقائي ويجب توفير الطاقة الكهربائية لبدء التفاعل.
توضع الأقطاب في حاوية واحدة في محلول المنحل الكهربائي.
البطارية الخارجية تزود الإلكترونات، حيث أن الإلكترونات تدخل عبر الكاثود وتخرج عبر الأنود.
في خلايا التحليل الكهربائي يكون الأنود هو القطب الموجب والكاثود هو القطب السالب.
كيفية استخدام عملية التحليل الكهربائي في إنتاج المعادن
يمكن استخدام عملية التحليل الكهربائي لإنتاج المواد الصلبة المعدنية وهو أمر مفيد جدًا في الطلاء الكهربائي وتنقية المعادن المختلفة، ويتطلب التحليل الكهربائي قطبين مشحونين بشكل معاكس أحدهم الكاثود والآخر الأنود ويرتبط هذان القطبان بمصدر طاقة خارجي، وعند إنتاج المعادن من خلال عملية التحليل الكهربائي سوف تتشكل طبقة المعدن على الكاثود، حيث أن المعدن الصلب أو المنصهر سيظهر عندما يكتسب أيون فلز موجب الشحنة بعض من الإلكترونات وبهذا يُصبح له شحنة محايدة، وتوجد أيونات المعادن الموجبة في المحلول الكهربائي حيث يمكنها تشكيل معدن صلب أو منصهر على الكاثود عندما يتم تطبيق التيار الكهربائي على الجهاز، وعلى سبيل المثال في عملية تنقية التحليل الكهربائي للألمنيوم سيتم تقليل أيونات الألمنيوم من المنحل بالكهرباء في كاثود مكونًا ألمنيوم نقي للغاية.[٥]