תא אלקטרוליטי: חלקים, אופן פעולתם ויישומים - כִּימִיָה - 2025

תא אלקטרוליטי הוא מדיום שבו אנרגיה או זרם חשמלי משמש לביצוע תגובה להפחתת תחמוצת הלא-ספונטנית. זה מורכב משתי אלקטרודות: האנודה והקתודה.

באנודה מתרחשת חמצון, מכיוון שבאתר זה חלק מהאלמנטים או התרכובות מאבדים אלקטרונים; בעוד בקתודה (-), הפחתה, מכיוון שבתוכה חלק מהאלמנטים או התרכובות משיגים אלקטרונים.

מקור: מאת RodEz2, מ- Wikimedia Commons

בתא האלקטרוליטי, הפירוק של חומרים מסוימים, שהיו מיוננים בעבר, מתרחש בתהליך המכונה אלקטרוליזה.

יישום הזרם החשמלי מייצר כיוון בתנועת היונים בתא האלקטרוליטי. יונים טעונים באופן חיובי (קטיונים) נודדים לכיוון הקתודה הטעינה (-).

בינתיים היונים הטעונים לשלילה נודדים לכיוון האנודה הטעונה (+). העברת טעינה זו מהווה זרם חשמלי (תמונה עליונה). במקרה זה, הזרם החשמלי מובל על ידי פתרונות של אלקטרוליטים, הנמצאים במיכל התא האלקטרוליטי.

חוק האלקטרוליזה של פאראדיי קובע כי כמות החומר שעובר חמצון או הפחתה בכל אלקטרודה עומדת ביחס ישר לכמות החשמל העוברת בתא או בתא.

חלקים

תא אלקטרוליטי מורכב ממכל בו מופק החומר שיעבור את התגובות שיוצר המטען החשמלי.

למכולה זוג אלקטרודות המחוברות לסוללה של זרם ישר. האלקטרודות המשמשות בדרך כלל עשויות מחומר אינרטי, כלומר אינן לוקחות חלק בתגובות.

ניתן לחבר מד זרם בסדרה עם הסוללה כדי למדוד את עוצמת הזרם הזורם דרך תמיסת האלקטרוליט. כמו כן, מד מתח ממוקם במקביל למדידת הפרש המתח בין צמד האלקטרודות.

כיצד פועל תא אלקטרוליטי?

אלקטרוליזה של נתרן כלוריד מותך

עדיף נתרן כלוריד מותך על פני נתרן כלורי מוצק, שכן האחרון אינו מוליך חשמל. היונים רוטטים בתוך הקריסטלים שלכם, אך הם אינם חופשיים לנוע.

תגובת קתודה

אלקטרודות העשויות גרפיט, חומר אינרטי, מחוברות למסופי הסוללה. אלקטרודה מחוברת למסוף החיובי של הסוללה, המהווה את האנודה (+).

בינתיים האלקטרודה השנייה מחוברת למסוף השלילי של הסוללה, המהווה את הקתודה (-). כאשר הזרם זורם מהסוללה, נצפים את הדברים הבאים:

בקטודה (-) ישנה הפחתה של יון Na ⁺ , שכאשר מקבלים אלקטרון הופכים ל Na מתכתי:

Na ⁺ + e ^- => Na (l)

הנתרן המתכתי-לבן-כסוף צף על גבי נתרן כלוריד מותך.

תגובת האנודה

נהפוך הוא, באנודה (+) חמצון ה- Cl ^- ion מתרחש , מכיוון שהוא מאבד אלקטרונים והופך לגז כלור (Cl ₂ ), תהליך המתבטא במראה באנודה של גז של צבע ירוק בהיר. ניתן לתאר את התגובה שמתרחשת באנודה כך:

2Cl ^- => Cl ₂ (g) + 2 e ^-

היווצרות גז Na ו- Cl ₂ מתכתי מ- NaCl אינה תהליך ספונטני, הדורש טמפרטורות גבוהות מ -800 מעלות צלזיוס על מנת להתרחש. הזרם החשמלי מספק את האנרגיה לשינוי המצוין שיתרחש באלקטרודות של התא האלקטרוליטי.

אלקטרונים נצרכים בקתודה (-) בתהליך ההפחתה ומיוצרים באנודה (+) במהלך חמצון. לכן אלקטרונים זורמים במעגל החיצוני של התא האלקטרוליטי מהאנודה לקתודה.

הסוללה הזרמית הישירה מספקת את האנרגיה שהאלקטרונים יזרמו בצורה לא ספונטנית מהאנודה (+) לקתודה (-).

תא למטה

תא הפוך הוא התאמה של התא האלקטרוליטי שתואר ומשמש לייצור תעשייתי של גז מתכות וכלור.

בתא האלקטרוליטי של דאון יש מכשירים המאפשרים איסוף, בנפרד, של גז נתרן וכלור מתכתי. שיטה זו לייצור נתרן מתכתי היא עדיין מעשית מאוד.

לאחר שחרורו באמצעות אלקטרוליזה, נתרן מתכתי נוזלי מתנקז, מקורר ונחתך לבלוקים. מאוחר יותר הוא מאוחסן במדיום אינרטי, מכיוון שנתרן יכול להגיב בפיצוץ באמצעות מגע עם מים או חמצן אטמוספרי.

גז כלור מיוצר בתעשייה בעיקר באמצעות אלקטרוליזה של נתרן כלורי בתהליך יקר פחות מייצור נתרן מתכתי.

יישומים

סינתזות תעשייתיות

בתעשייה משתמשים בתאים אלקטרוליטיים בהגדרת האלקטרופורציה של אלקטרוניים של מתכות לא ברזליות שונות. כמעט כל האלומיניום, הנחושת, האבץ והעופרת הטוהרים הגבוהים מיוצרים בתעשייה בתאים אלקטרוליטיים.

מימן מיוצר על ידי אלקטרוליזה של מים. נוהל כימי זה משמש גם להשגת מים כבדים (D ₂ O).

מתכות כמו Na, K ו- Mg מתקבלות על ידי אלקטרוליזה של אלקטרוליטים מותכים. כמו כן, לא מתכות כמו פלואורידים וכלורידים מתקבלים באמצעות אלקטרוליזה. יתר על כן, תרכובות כמו NaOH, KOH, Na ₂ CO ₃ ו- KMnO ₄ מסונתזות על ידי אותו נוהל.

ציפוי זיקוק מתכות

- תהליך ציפוי מתכת נחותה במתכת באיכות גבוהה יותר מכונה אלקטרוליטי. מטרתו היא למנוע קורוזיה של המתכת התחתונה ולהפוך אותה לאטרקטיבית יותר. תאים אלקטרוליטיים משמשים בהתחשמלות למטרה זו.

-מתכות מתכתיות יכולות להיות מעודנות באמצעות אלקטרוליזה. במקרה של נחושת, מונחים יריעות מתכת דקות מאוד על הקתודה ומוטות גדולים של הנחושת הטמאים שיש לזקק אותם על האנודה.

השימוש בשימוש בפריטים פורניר נפוץ בחברה. תכשיטים וכלי שולחן הם בדרך כלל כסף; הזהב מופקד אלקטרודות על תכשיטים ואנשי קשר חשמליים. חפצים רבים מכוסים נחושת למטרות דקורטיביות.

למכוניות פגושים מפלדת כרום וחלקים אחרים. ציפוי הכרום של פגוש מכוניות לוקח שלוש שניות של אלקטרודה למצב כרום כדי לייצר משטח מבריק בעובי 0.0002 מ"מ.

-התאמה אלקטרואקטיבית של מתכת מייצרת משטחים שחורים ומחוספסים. העמדת אלקטרודות איטית מייצרת משטחים חלקים. "פחי הפח" עשויים פלדה מצופה פח באמצעות אלקטרוליזה. לפעמים פחיות אלה מצופות כרום בשבריר שנייה ועובי שכבת הכרום דקיק במיוחד.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
2. Prepedic eMedical Prep. (2018). יישומים של אלקטרוליזה. התאושש מ: emedicalprep.com
3. ויקיפדיה. (2018). תא אלקטרוליטי. התאושש מ: en.wikipedia.org
4. פרופ 'שפלי פ' (2012). תאים גלווניים ואלקטרוליטיים. התאושש מ: butane.chem.uiuc.edu
5. רשת המחקר של בודנר. (sf). תאים אלקטרוליטיים. התאושש מ: chemed.chem.purdue.edu