الکترولیز
الکترولیز چیست؟
الکترولیز به این صورت تعریف میشود:
الکترولیز عبارت است از تجزیه یک ترکیب یونی (چه مذاب و چه در محلول) به مواد سادهتر با استفاده از جریان الکتریکی.
ایدههای اساسی درباره الکتریسیته
جریانهای الکتریکی
جریان الکتریسیته از طریق یک فلز یا کربن، به سادگی جریانی از الکترونها است.
در یک فلز، الکترونهای در حال حرکت، همان الکترونهای غیرموضعی (که به «دریای الکترون» نیز معروفند) هستند که فلز را در کنار هم نگه میدارند. اگر در مورد پیوند فلزی مطمئن نیستید، قبل از ادامه، صفحه پیوند فلزی را ببینید.
در یک الکترود کربنی (گرافیتی)، همچنین الکترونهای غیرموضعی وجود دارند که میتوانند در ساختار حرکت کنند. اگر توضیحی در مورد این ساختار میخواهید، میتوانید به این صفحه نگاه کنید.
باتریها و منابع تغذیه دیگر
سادهترین راه برای فکر کردن درباره باتری یا منبع تغذیه مشابه، این است که آن را یک پمپ الکترون در نظر بگیرید.
فرض کنید دو تکه فلز یا کربن را به یک منبع تغذیه جریان مستقیم (DC) وصل کردهاید. منبع تغذیه، الکترونها را از یک تکه به تکه دیگر پمپ میکند.
تعداد الکترونهای پمپ شده به قدرت منبع تغذیه بستگی دارد. با پمپ کردن الکترونهای بیشتر به تکه فلز سمت چپ در نمودار، آن قطعه بار منفی پیدا میکند. در نهایت، الکترونهای ورودی توسط الکترونهایی که قبلاً آنجا هستند دفع میشوند و افزایش بیشتری در منفی بودن رخ نمیدهد.
الکترونها از سمت راست دور میشوند و این کمبود الکترون، آن را با بار مثبت باقی میگذارد.
اگر یک باتری یا آمپرمتر در مدار قرار دهید، هیچ کدام تغییری نمیکنند. پس از حرکت تقریباً آنی و بسیار کوچک الکترونها در ابتدا، جریان بیشتری وجود نخواهد داشت.
استفاده از این مدار ساده برای الکترولیز
الکترودها، تکههای فلز یا کربنی هستند که در نمودار بالا به صورت میلههای سیاه نشان داده شدهاند.
در بیشتر مواردی که با آنها روبرو میشوید، این الکترودها در اثر الکترولیز تغییر نمیکنند و آنها را «خنثی» توصیف میکنیم. بیشتر اوقات در آزمایشگاه، از الکترودهای کربنی (گرافیتی) استفاده میکنید، اما گاهی ممکن است با استفاده از پلاتین نیز روبرو شوید.
الکترود مثبت آند نامیده میشود.
الکترود منفی کاتد نامیده میشود.
این بسیار مهم است که اینها را درست به خاطر بسپارید!
یک راه ساده برای به خاطر سپردن آن وجود دارد.
اگر حروف اول کلمات مثبت (Positive)، آند (Anode)، منفی (Negative) و کاتد (Cathode) را در نظر بگیرید، راههای کمی برای مرتب کردن آنها وجود دارد که یک کلمه قابل تلفظ بسازند. سادهترین آنها PANC است - آند مثبت، کاتد منفی.
این را یاد بگیرید! PANC - آند مثبت، کاتد منفی.
نکته: CANP نیز یک کلمه قابل تلفظ است و اطلاعات یکسانی میدهد - کاتد، آند به ترتیب منفی، مثبت. اما فهمیدن آن کمی سختتر است. CNAP را هم میتوانید بگویید - این فقط PANC است که برعکس نوشته شده و اطلاعات یکسانی میدهد. PANC سادهترین است - آن را یاد بگیرید.
الکترولیت مادهای است که تحت الکترولیز قرار میگیرد. این ماده یک ترکیب یونی خواهد بود، چه مذاب و چه در محلول.
همانطور که بعداً خواهید دید، الکترولیز شامل حرکت یونها به سمت الکترودها است. یونها نمیتوانند در جامد حرکت کنند.
یونهای مثبت در طول الکترولیز به سمت کاتد منفی حرکت میکنند. یونهای مثبت به عنوان کاتیون شناخته میشوند.
یونهای منفی در طول الکترولیز به سمت آند مثبت حرکت میکنند. یونهای منفی به عنوان آنیون شناخته میشوند.
در مراحل اولیه، بهتر است که آنیون و کاتیون چیست را خودتان استنباط کنید تا اینکه آن را حفظ کنید. به عنوان مثال، واضح است که یک یون مثبت به سمت کاتد منفی حرکت میکند - بنابراین کاتیون نامیده میشود. یعنی به نام جایی که به آن میرسد نامگذاری شده است.
در طول الکترولیز چه اتفاقی میافتد؟
اکثر معلمان و کتابها احتمالاً الکترولیز را با الکترولیز سرب(II) برمید مذاب معرفی میکنند زیرا انجام آن آسان است و آنچه در حال رخ دادن است به وضوح قابل مشاهده است.
به طور کلی، الکترولیز، سرب(II) برمید را به سرب و برم تجزیه میکند.
PbBr₂(مذاب) → Pb(مذاب) + Br₂(گاز)
به نمادهای حالت توجه کنید. این کار در دمای بسیار بالا انجام میشود تا سرب(II) برمید مذاب باشد و همچنین سربی که تشکیل میشود. برم به صورت گاز خارج میشود.
دستگاه به این شکل خواهد بود:
[در اینجا یک نمودار از سلول الکترولیز با الکترودهای کربنی در سرب(II) برمید مذاب، متصل به یک باتری نشان داده شده است که حبابهای گاز برم در آند و فلز سرب در کاتد تشکیل میشود.]
اگر نگاهی دقیقتر به آنچه در دو الکترود رخ میدهد بیندازیم:
در کاتد (الکترود منفی)
کاتد دارای الکترونهای فراوانی است که توسط منبع تغذیه به آن پمپ میشود. یونهای سرب(II) مثبت به سمت آن جذب میشوند.
وقتی به آنجا میرسند، ۲ الکترون از الکترود جدا میشوند و بار یون سرب(II) را خنثی میکنند. یک اتم سرب تشکیل میشود.
Pb²⁺(مذاب) + ۲e⁻ → Pb(مذاب)
سرب مذاب در زیر الکترود جمع میشود.
در آند (الکترود مثبت)
آند الکترونهای خود را از دست میدهد (پمپ میشوند) و مثبت میشود. یونهای برمید به سمت آن جذب میشوند.
وقتی به آنجا میرسند، یک الکترون از هر یون برمید جدا میشود تا یک اتم برم باقی بماند. اما اتمهای برم، مولکولهای Br₂ را تشکیل میدهند.
بنابراین دو اتم برمی که در نمودار نشان داده شده است، به هم متصل میشوند تا Br₂ را تشکیل دهند که به صورت گاز قهوهای خارج میشود.
۲Br⁻(مذاب) → Br₂(گاز) + ۲e⁻
در مدار چه اتفاقی میافتد؟
هر واحد از PbBr₂ که به این روش تخلیه میشود، دو الکترون جدید به آند میدهد و دو الکترون از کاتد میگیرد.
منبع تغذیه، الکترونهای جدید روی آند را در طول مدار پمپ میکند تا جایگزین الکترونهایی شود که از کاتد گرفته شدهاند. حرکت الکترونها یک جریان الکتریکی است - بنابراین اکنون جریان الکتریسیته در مدار خارجی در حال عبور است.
اگر به کل سیستم فکر کنید، الکتریسیته توسط الکترونها در مدار خارجی منتقل میشود، اما توسط حرکت و تخلیه یونها در الکترولیت منتقل میشود.
این تنها در صورتی میتواند کار کند که یونهایی داشته باشید که بتوانند آزادانه حرکت کنند. به همین دلیل است که یک الکترولیت باید یک ترکیب یونی، چه مذاب و چه در محلول باشد.
این یک الکترولیز نسبتاً ساده برای توضیح است، اما تمام واکنشهای الکترولیز بر اساس اصول مشابهی کار میکنند. ما در صفحات دیگر به مثالهای دیگری خواهیم پرداخت.
اکسایش و کاهش در الکترولیز
بخش بعدی فرض میکند که اکسایش و کاهش را بر اساس انتقال الکترون درک میکنید. اگر در این مورد مطمئن نیستید، قبل از ادامه این لینک را دنبال کنید.
دوباره به واکنشهای الکترودی که در بالا نوشتیم نگاه کنید:
در کاتد
Pb²⁺(مذاب) + ۲e⁻ → Pb(مذاب)
یونهای سرب(II) در حال گرفتن الکترون هستند. گرفتن الکترون، کاهش است (OIL RIG - یعنی اکسیژن از دست میرود/الکترون گرفته میشود).
واکنشی که در کاتد رخ میدهد، کاهش است. فرقی نمیکند چه مادهای را الکترولیز میکنید - این همیشه درست است.
هر واکنش کاتدی شامل گرفتن الکترون توسط یک ماده است.
در آند
۲Br⁻(مذاب) → Br₂(گاز) + ۲e⁻
یونهای برمید در آند الکترون از دست میدهند. از دست دادن الکترون، اکسایش است (باز هم OIL RIG - یعنی اکسیژن از دست میرود/الکترون گرفته میشود).
این نیز برای هر الکترولیز صادق است. واکنشی که در آند رخ میدهد همیشه اکسایش است.
هر واکنش آندی شامل از دست دادن الکترون توسط یک ماده است.
