برقکافت: انجام واکنش شیمیایی با عبور جریان برق از ترکیب یونی مذاب یا محلول

برقکافت^[1]: دنیای واکنش‌های کنترل شده با برق

اصول اولیه و اجزای یک سلول برقکافت

برای انجام برقکافت به یک مدار الکتریکی کامل نیاز داریم. این مدار شامل یک منبع جریان مستقیم (مثلاً یک باتری یا رکتیفایر)، دو الکترود و یک الکترولیت^[2] است. الکترولیت ماده‌ای است که یون‌های مثبت و منفی آزاد دارد و می‌تواند جریان برق را از خود عبور دهد. این یون‌ها حامل‌های بار هستند.

الکترودها میله‌هایی رسانا هستند که به منبع برق متصل می‌شوند:

• آند^[3]: الکترودی که به قطب مثبت منبع متصل است. در اینجا یون‌های منفی (آنیون‌ها) به سمت آن کشیده شده و الکترون از دست می‌دهند (اکسایش رخ می‌دهد).
• کاتد^[4]: الکترودی که به قطب منفی منبع متصل است. در اینجا یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) به سمت آن کشیده شده و الکترون می‌گیرند (کاهش رخ می‌دهد).

یک مثال ساده، برقکافت محلول مس‌سولفات ($CuSO_4$) با الکترودهای فلز مس است. در کاتد، یون‌های مس ($Cu^{2+}$) الکترون گرفته و به صورت فلز مس روی الکترود می‌نشینند. هم‌زمان در آند، فلز مس اکسید شده و به صورت یون ($Cu^{2+}$) وارد محلول می‌شود. در نتیجه غلظت محلول ثابت مانده و مس از آند به کاتد منتقل می‌شود.

انواع الکترولیت: مذاب در مقابل محلول

نوع الکترولیت تأثیر مستقیمی بر محصولات نهایی برقکافت دارد. این موضوع را می‌توان در قالب جدول زیر مقایسه کرد:

همانطور که می‌بینید، حضور آب و یون‌های آن ($H^+$ و $OH^-$) رقابتی را بین یون‌ها ایجاد می‌کند. یونی که راحت‌تر اکسید یا کاهش یابد، در الکترود مربوطه واکنش می‌دهد. این موضوع را «سری الکتروشیمیایی» تعیین می‌کند.

قانون فاراده: رابطه‌ای کمی بین برق و ماده

میخائیل فاراده^[5] رابطه‌ای ریاضی بین میزان بار الکتریکی عبوری و مقدار ماده تولیدشده در الکترودها کشف کرد. این قانون سنگ بنای محاسبات در برقکافت است.

این دو قانون را می‌توان در یک فرمول خلاصه کرد:

$m = \frac{Q}{F} \times \frac{M}{z} = \frac{I \times t}{F} \times \frac{M}{z}$

در این فرمول:

• $m$: جرم ماده آزادشده (بر حسب گرم)
• $Q$: بار الکتریکی کل (بر حسب کولن، C)
• $I$: جریان الکتریکی (بر حسب آمپر، A)
• $t$: زمان (بر حسب ثانیه، s)
• $F$: ثابت فاراده (96500 C/mol)
• $M$: جرم مولی ماده (بر حسب g/mol)
• $z$: تعداد الکترون‌های مبادله شده در نیم‌واکنش (بار یون)

مثال: برای رسوب 1 گرم مس از محلول $Cu^{2+}$ (با $M=63.5$ و $z=2$) با جریان 2 آمپر، چه زمانی لازم است؟

$1 = \frac{2 \times t}{96500} \times \frac{63.5}{2}$ → پس از حل معادله، $t \approx 1520$ ثانیه یا حدود 25 دقیقه به دست می‌آید.

از آزمایشگاه تا صنعت: کاربردهای متنوع برقکافت

برقکافت تنها یک مفهوم کتاب درسی نیست؛ نقش حیاتی در صنعت و فناوری دارد:

1. پالایش و استخراج فلزات: تولید آلومینیوم از سنگ معدن بوکسیت (آلومینا، $Al_2O_3$) به روش "هال-هرولت" مهم‌ترین نمونه است. همچنین مس خام ($Cu$ ناخالص) را در سلول برقکافتی قرار می‌دهند تا مس خالص (99.99%) روی کاتد رسوب کند.

2. آبکاری الکتریکی: پوشش دادن یک جسم با لایه‌ای نازک از فلز دیگر برای زیبایی، جلوگیری از خوردگی یا افزایش مقاومت. مثال آشنا آبکاری طلا روی زیورآلات یا آبکاری کروم روی دستگیره‌های خودرو است. در این فرآیند، جسمی که باید آبکاری شود به عنوان کاتد سلول عمل می‌کند و یون‌های فلز پوشش‌دهنده از آند (یا از الکترولیت) روی آن رسوب می‌کنند.

3. تولید مواد شیمیایی: گازهای کلر و هیدروژن از برقکافت محلول غلیظ سدیم کلرید (آب نمک) به دست می‌آیند. سود سوزآور ($NaOH$) نیز در این فرآیند تولید می‌شود. همچنین می‌توان از برقکافت آب ($H_2O$) گازهای اکسیژن و هیدروژن خالص تولید کرد.

4. حکاکی و پرداخت الکتروشیمیایی: در صنعت الکترونیک برای ساخت بردهای مدار چاپی (PCB) از برقکافت برای حل کردن قسمت‌های ناخواسته لایه مسی استفاده می‌کنند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^[1] برقکافت: Electrolysis
^[2] الکترولیت: Electrolyte - ماده‌ای که در حالت مذاب یا محلول، یون‌های آزاد داشته و رسانای جریان برق است.
^[3] آند: Anode - الکترودی که در آن اکسایش (از دست دادن الکترون) رخ می‌دهد.
^[4] کاتد: Cathode - الکترودی که در آن کاهش (گرفتن الکترون) رخ می‌دهد.
^[5] میخائیل فاراده: Michael Faraday - فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی.
^[6] جرم معادل شیمیایی: وزن معادل شیمیایی - نسبت جرم مولی به تعداد الکترون مبادله‌شده ($\frac{M}{z}$).