سلول الکترولیتی: تبدیل برق به واکنش شیمیایی
سلول الکترولیتی چیست؟
شاید برای شما هم پیش آمده باشد که بخواهید یک شیء فلزی مثل یک کلید قدیمی را دوباره براق و نو کنید. یا شاید شنیده باشید که برای تولید فلزات خالص مثل آلومینیوم از برق استفاده میکنند. در پشت تمام این فرآیندها، یک مفهوم علمی جالب به نام سلول الکترولیتی قرار دارد. به زبان ساده، این سلولها مانند یک کارخانه شیمیایی هستند که برق وارد آن میشود و خروجی آن، مواد شیمیایی جدید یا خالص شده است.
تفاوت اصلی سلول الکترولیتی با باتری (سلول گالوانی)
برای درک بهتر، ابتدا باید تفاوت آن را با باتری معمولی بدانیم. باتریها که به آنها سلول گالوانی نیز میگویند، از یک واکنش شیمیایی خودبهخودی، انرژی الکتریکی تولید میکنند. اما سلول الکترولیتی دقیقاً برعکس عمل میکند: یک واکنش شیمیایی غیرخودبهخودی را با دادن انرژی الکتریکی از یک منبع خارجی (مثل باتری یا پریز برق) پیش میبرد. یعنی برق را مصرف میکند تا یک تغییر شیمیایی ایجاد کند.
اجزای اصلی تشکیلدهنده یک سلول الکترولیتی
هر سلول الکترولیتی بدون در نظر گرفتن نوع آن، از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:
| نام جزء | وظیفه | مثال ملموس |
|---|---|---|
| منبع جریان مستقیم (DC) | تأمین کننده انرژی الکتریکی لازم برای انجام واکنش. | باتری قلمی، آداپتور موبایل. |
| الکترودها (دو میله یا صفحه فلزی یا کربنی) | محل اتصال جریان برق به محلول. آند (مثبت) و کاتد (منفی). | میلههای گرافیتی در الکترولیز آب. |
| الکترولیت۸ | محلول یا مذاب حاوی یونهای آزاد که رسانای جریان برق هستند. | آب نمک (محلول NaCl)، اسید سولفوریک رقیق. |
| محفظه (ظرف) | نگهدارنده الکترولیت و الکترودها. | یک بشر یا لیوان شیشهای. |
انواع مهم الکترولیز و کاربردهای آن در زندگی
سلولهای الکترولیتی را بر اساس ماده الکترولیت (محلول یا مذاب) و هدف نهایی دستهبندی میکنیم. در ادامه با دو نوع پرکاربرد آن آشنا میشویم:
الف) الکترولیز محلولها (با الکترولیت مایع): یکی از معروفترین آزمایشهای شیمی در مدرسه، الکترولیز آب است. اگر دو الکترود را در آب خالص فرو ببریم و به برق وصل کنیم، تقریباً هیچ اتفاقی نمیافتد، چون یون کافی وجود ندارد. اما با افزودن کمی اسید یا باز (مثل $H_2SO_4$ یا $NaOH$) برای افزایش رسانایی، واکنش شروع میشود.
توجه کنید که حجم گاز هیدروژن ($H_2$) تولید شده دو برابر حجم گاز اکسیژن ($O_2$) است.
کاربرد: از این روش برای تولید گاز هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک استفاده میشود.
ب) الکترولیز مذابها (با الکترولیت ذوبشده): برخی ترکیبات یونی مانند سدیم کلرید ($NaCl$) جامد، فقط در حالت مذاب یا محلول، یونهای آزاد دارند. الکترولیز مذاب $NaCl$ برای تولید فلز سدیم و گاز کلر بسیار مهم است.
در کاتد (منفی): $ Na^+ + e^- \rightarrow Na(s) $ (تولید سدیم فلزی)
در آند (مثبت): $ 2Cl^- \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- $ (تولید گاز کلر)
از آزمایشگاه تا کارگاه: آبکاری فلزات با الکترولیز
یکی از جذابترین و قابللمسترین کاربردهای سلول الکترولیتی، آبکاری فلزات۹ است. هدف از آبکاری میتواند تزئین، جلوگیری از زنگزدگی یا افزایش مقاومت سایشی باشد. فرض کنید میخواهیم یک قاشس فلزی ارزان را با یک لایه نقرهای زیبا و ضدزنگ بپوشانیم.
- آمادهسازی: قاشق را کاملاً تمیز میکنیم تا چربی و آلودگی روی آن مانع چسبیدن نقره نشود.
- ساخت سلول:
- کاتد (قطب منفی منبع برق): همان قاشقی است که میخواهیم آبکاری شود.
- آند (قطب مثبت منبع برق): یک میله یا صفحه از جنس نقره خالص.
- الکترولیت: یک محلول حاوی یونهای نقره، مانند محلول نیترات نقره ($AgNO_3$).
- اتصال به برق: با اتصال به یک منبع جریان مستقیم کمولتاژ (مثلاً یک باتری ۹V)، فرآیند شروع میشود.
چه اتفاقی میافتد؟ یونهای نقره مثبت ($Ag^+$) موجود در محلول، به سمت کاتد (قاشق) که بار منفی دارد جذب میشوند. در آنجا الکترون میگیرند و به صورت لایهای از نقره فلزی ($Ag$) بر روی قاشق مینشینند. همزمان، از آند نقرهای، اتمهای نقره اکسید شده و به صورت یون $Ag^+$ وارد محلول میشوند تا غلظت یون نقره در الکترولیت ثابت بماند.
به این ترتیب، فلز کمارزشتر (قاشق پایه) با یک لایه از فلز گرانبها یا مقاوم (نقره) پوشیده میشود. این فرآیند برای طلاکاری زیورآلات، کرومکاری قطعات خودرو و قلعاندود کردن قوطیهای کنسرو نیز استفاده میشود.
پرسشهای رایج و اشتباهات مفهومی
پاورقی
۱ سلول الکترولیتی (Electrolytic Cell)
۲ سلول گالوانی (Galvanic Cell) یا ولتاییک (Voltaic Cell)
۳ الکترولیز (Electrolysis)
۴ آند (Anode): الکترودی که اکسایش در آن رخ میدهد. در سلول الکترولیتی به قطب مثبت منبع برق متصل است.
۵ اکسایش (Oxidation): از دست دادن الکترون.
۶ کاتد (Cathode): الکترودی که کاهش در آن رخ میدهد. در سلول الکترولیتی به قطب منفی منبع برق متصل است.
۷ کاهش (Reduction): گرفتن الکترون.
۸ الکترولیت (Electrolyte): مادهای که در محلول یا حالت مذاب، یونهای آزاد دارد و رسانای جریان برق است.
۹ آبکاری (Electroplating): پوشاندن سطح یک جسم با لایهای نازک از یک فلز دیگر به روش الکترولیز.
