برقکافت: تجزیه شیمیایی مواد با استفاده از جریان الکتریکی

برقکافت: تجزیه مواد با کمک جریان الکتریکی

سلول الکترولیتی و اجزای آن

برای درک برقکافت، ابتدا باید با سلولی که این فرآیند در آن رخ می‌دهد آشنا شویم. سلول الکترولیتی دستگاهی است که با دریافت انرژی الکتریکی از یک منبع خارجی، یک واکنش شیمیایی غیرخودبه‌خودی را به انجام می‌رساند [1]. این سلول سه جزء اصلی دارد:

• الکترولیت: ماده‌ای است که دارای یون‌های آزاد بوده و می‌تواند جریان الکتریسیته را هدایت کند. الکترولیت‌ها معمولاً نمک‌های مذاب یا محلول‌های اسیدها، بازها و نمک‌ها در آب هستند. برای مثال، کلرید سدیم جامد، الکترولیت نیست زیرا یون‌های آن در شبکه بلوری گیر افتاده‌اند و نمی‌توانند حرکت کنند. اما هنگامی که ذوب می‌شود یا در آب حل می‌گردد، یون‌ها آزاد شده و می‌توانند جریان را هدایت کنند [2].
• الکترودها: میله‌های رسانا (اغلب از جنس گرافیت، پلاتین یا فلزات دیگر) هستند که درون الکترولیت قرار می‌گیرند و جریان را به درون محلول منتقل می‌کنند.
• منبع تغذیه جریان مستقیم (DC): مانند باتری یا یک منبع تغذیه آزمایشگاهی که انرژی لازم برای انجام واکنش را تأمین می‌کند.

الکترود متصل به قطب مثبت منبع تغذیه، آند و الکترود متصل به قطب منفی، کاتد نامیده می‌شود. در آند، یون‌های منفی (آنیون‌ها) جذب شده و اکسایش (از دست دادن الکترون) رخ می‌دهد. در کاتد، یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) جذب شده و کاهش (گرفتن الکترون) انجام می‌شود. برای به خاطر سپردن این موضوع می‌توانید از این قاعده ساده استفاده کنید: آند = اکسایش و کاتد = کاهش [1].

به‌عنوان یک مثال روزمره، می‌توان به شارژ مجدد باتری‌ها اشاره کرد. در هنگام شارژ، باتری نقش یک سلول الکترولیتی را بازی می‌کند و با دریافت جریان برق، مواد شیمیایی داخل آن به حالت اولیه خود بازمی‌گردند [3].

برقکافت کلرید سدیم مذاب و محلول آبی

محصولات برقکافت به شدت به نوع الکترولیت (مذاب یا محلول) و غلظت آن وابسته است. برای روشن شدن این موضوع، برقکافت یک ماده آشنا یعنی کلرید سدیم (نمک طعام) را در شرایط مختلف بررسی می‌کنیم.

برقکافت کلرید سدیم مذاب: در این حالت، تنها یون‌های موجود، سدیم (Na⁺) و کلرید (Cl^-) هستند. با اعمال جریان، واکنش‌های زیر رخ می‌دهد [1]:

• در کاتد (کاهش): $Na^{+} + e^{-} \rightarrow Na(l)$
• در آند (اکسایش): $2Cl^{-} \rightarrow Cl_{2}(g) + 2e^{-}$
• واکنش کلی: $2Na^{+} + 2Cl^{-} \xrightarrow{الکتریسیته} 2Na(l) + Cl_{2}(g)$

همانطور که می‌بینید، محصولات این فرآیند، فلز سدیم و گاز کلر هستند که هر دو ارزش صنعتی بالایی دارند.

برقکافت محلول آبی کلرید سدیم: در اینجا پای آب هم به میان می‌آید. آب نیز یون‌های $H^{+}$ و $OH^{-}$ را تولید می‌کند. بنابراین چهار نوع یون در محلول داریم: Na⁺, Cl^-, H⁺, و OH^-. در این رقابت، یونی که به‌راحتی‌تر الکترون بگیرد یا بدهد، در الکترود واکنش می‌دهد.

• در کاتد: یون‌های Na⁺ و H⁺ حضور دارند. از آنجا که یون H⁺ نسبت به Na⁺ تمایل بسیار بیشتری برای گرفتن الکترون دارد (یون H⁺ اکسنده‌تر است)، بنابراین گاز هیدروژن تولید می‌شود، نه فلز سدیم [2].
• در آند: یون‌های Cl^- و OH^- حضور دارند. در محلول رقیق نمک، یون OH^- راحت‌تر از Cl^- اکسید می‌شود و گاز اکسیژن تولید می‌کند. اما در محلول غلیظ (آب نمک)، غلظت یون کلرید آنقدر زیاد است که شانس اکسایش پیدا کرده و گاز کلر تولید می‌کند [1].

کاربردهای عملی: از آبکاری تا تولید فلزات

برقکافت کاربردهای بسیار گسترده‌ای در صنعت و زندگی روزمره دارد. در اینجا به چند نمونه مهم اشاره می‌کنیم.

• آبکاری (Electroplating): در این فرآیند، یک لایه نازک از یک فلز (مانند نقره، طلا، کروم یا نیکل) روی سطح یک شیء دیگر (معمولاً فلز ارزان‌تر) نشانده می‌شود. برای آبکاری یک قاشق با نقره، قاشق را به کاتد و یک تکه نقره را به آند وصل می‌کنیم. هر دو را در محلول نیترات نقره ($AgNO_3$) قرار می‌دهیم. با برقراری جریان، نقره موجود در آند حل شده و به یون $Ag^+$ تبدیل می‌شود. این یون‌ها به سمت کاتد (قاشق) حرکت کرده و روی آن به صورت یک لایه نقره‌ای یکنواخت رسوب می‌کنند. با این کار هم از زنگ زدن قاشق جلوگیری می‌شود و هم ظاهر زیباتری پیدا می‌کند [3].
• تولید فلزات خالص: بسیاری از فلزات فعال مانند آلومینیوم، سدیم، پتاسیم و منیزیم به دلیل واکنش‌پذیری بالا، به صورت خالص در طبیعت یافت نمی‌شوند. برقکافت ترکیبات مذاب این فلزات، روش اصلی برای استخراج آن‌هاست. برای مثال، فلز آلومینیوم با برقکافت بوکسیت (سنگ معدن آلومینیوم) تولید می‌شود.
• تولید مواد شیمیایی: فرآیند کلر-قلیایی که در بالا توضیح داده شد، برای تولید صنعتی گاز کلر و سود سوزآور (هیدروکسید سدیم) استفاده می‌شود که خود این مواد در صنایع دیگر کاربرد فراوان دارند [3].
• تولید هیدروژن: با برقکافت آب می‌توان گاز هیدروژن خالص تولید کرد که به عنوان یک سوخت پاک و دوستدار محیط زیست مطرح است.

محاسبات کمی: قوانین فاراده

مایکل فاراده دانشمند بزرگی بود که با انجام آزمایش‌های دقیق، رابطه بین مقدار جریان الکتریکی عبوری و مقدار ماده تولید یا مصرف شده در الکترودها را کشف کرد. این روابط به قوانین فاراده معروف هستند. قانون اول فاراده می‌گوید جرم ماده‌ای که در هر الکترود طی برقکافت آزاد یا رسوب می‌کند، با مقدار بار الکتریکی عبوری از سلول رابطه مستقیم دارد. بار الکتریکی ($Q$) از رابطه زیر به دست می‌آید [3]:

ثابت فاراده ($F$) مقدار باری است که توسط یک مول الکترون حمل می‌شود و تقریباً برابر با $96485$ کولن بر مول است. با استفاده از این ثابت می‌توانیم محاسبه کنیم که با عبور یک جریان معین در یک بازه زمانی مشخص، چه مقدار از یک ماده تولید خواهد شد.

مثال: فرض کنید می‌خواهیم با عبور جریان $10.23$ آمپر به مدت $1$ ساعت از یک محلول نیترات نقره، یک قاشق را آبکاری نقره کنیم. چه جرمی از نقره روی کاتد رسوب می‌کند [3]؟

حل:

1. ابتدا بار کل را محاسبه می‌کنیم: $Q = 10.23 \ A \times (1 \times 60 \times 60) \ s = 36828 \ C$
2. تعداد مول الکترون را می‌یابیم: $n_{e^{-}} = \frac{Q}{F} = \frac{36828}{96485} = 0.3817 \ mol \ e^{-}$
3. واکنش در کاتد: $Ag^{+} + e^{-} \rightarrow Ag(s)$. این واکنش نشان می‌دهد هر $1$ مول الکترون، $1$ مول نقره رسوب می‌دهد.
4. جرم نقره رسوب کرده: $m_{Ag} = 0.3817 \ mol \ e^{-} \times \frac{1 \ mol \ Ag}{1 \ mol \ e^{-}} \times 107.9 \ \frac{g}{mol} = 41.19 \ g$

پس حدود $41.2$ گرم نقره روی قاشق رسوب خواهد کرد.

چالش‌های مفهومی

پاورقی

¹ برقکافت (Electrolysis): تجزیه یک ماده در اثر عبور جریان الکتریکی از آن.

² الکترولیت (Electrolyte): ماده‌ای که در حالت مذاب یا محلول، یون‌های آزاد داشته باشد و بتواند جریان الکتریسیته را هدایت کند.

³ آند (Anode): الکترودی که به قطب مثبت منبع تغذیه وصل می‌شود و محل انجام واکنش اکسایش (از دست دادن الکترون) است.

⁴ کاتد (Cathode): الکترودی که به قطب منفی منبع تغذیه وصل می‌شود و محل انجام واکنش کاهش (گرفتن الکترون) است.

⁵ قانون اول فاراده (Faraday's First Law): جرم ماده آزاد شده در هر الکترود با مقدار بار الکتریکی عبوری از سلول متناسب است.

⁶ ثابت فاراده (Faraday's Constant): مقدار بار الکتریکی یک مول الکترون که تقریباً برابر با 96485 کولن بر مول است.