مقاله 24 : آزمایش الکترولیز

[قاسم معتمدی]

عنوان آزمایش: :بررسی تأثیر عوامل مختلف بر الکترولیز​

چکیده:
دراین آزمایش محلول الکترولیتی از16گرم(0.5M)یا 3.2گرم یا(0.1 M) سولفات مس و1ccاسیدسولفوریک غلیظبا آب مقطر با حجم 200cc تهیه شد.دو الکترود مس کاتدی وسرب آندی دردوطرف بشر روبروی یکدیگرقرار داده شدند و مس به قطب منفی وسرب به قطب مثبت پیل گالوانیکی وصل شدندو واکنش الکترولیز انجام گرفت و افزایش وزن کاتد تعیین شد. در پایان اثر عوامل مختلف ولتاژ،زمان و دما بر روی واکنش الکترولیزبررسی شد.
کلمات کلیدی:الکترولیز،الکترود،الکترولیت ،آند،کاتد،ولتاژ،زمان ،دما
مقدمه:
الکترولیز

رسانایی الکترولیتیهنگامی صورت می‌گیرد که یونهایالکترولیت بتوانند آزادانه حرکت کنند، چون در این مورد ، یونها هستند که بارالکتریکی را حمل می‌کنند. به همین دلیل است که رسانش الکترولیتی ، اساسا توسطنمکهایمذابو محلولهای آبی الکترولیتها صورت می‌گیرد. علاوه بر این ، برای تداومجریان در یک رسانای الکترولیتی ، لازم است که حرکت یونها با تغییر شیمیایی همراهباشد.
اصول رسانش الکترولیتی
این اصول رسانش الکترولیتی با بررسی الکترولیز NaCl مذاب بین الکترودهای بی‌اثر بهتر متصور می‌گردد. منبع جریان ،الکترونهارا به الکترود سمت چپ می‌راند. بنابراین ، می‌توان گفت که این الکترود ، بار منفیپیدا می‌کند. این الکترونها ، از الکترود مثبت سمت راست کشیده می‌شوند. در میدانالکتریکی که بدین ترتیب بوجود می‌آید، یونهای سدیم ( کاتیونها ) به طرف قطب منفی ( کاتد ) و یونهای کلرید ( آنیونها ) به طرف قطب مثبت ( آندجذب می‌شوند.
در رسانش الکترولیتی ، بار الکتریکی بوسیله کاتیونها که بهطرف کاتد و بوسیله آنیونها که در جهت عکس ، به طرف آند حرکت می‌کنند، حمل می‌شود. برای آنکه یک مدار کامل تشکیل شود، حرکت یونها باید با واکنشهای الکترودی همراهباشد. در کاتد ، اجزای شیمیایی معینی ( که لازم نیست حتما حامل بار باشند ) بایدالکترونها را بپذیرند و کاهیده شوند و در آند ، الکترونها باید از اجزای شیمیاییمعینی جدا شده ، در نتیجه آن اجزااکسیدشوند.
یونهای سدیم در کاتد کاهیده می‌شوند:


Na+ + e→Na

یونهای کلرید درآند ، اکسید می‌شوند:


2Cl-→Cl2 + 2e

ازجمع این دو معادله جزئی ، واکنش کلی سلول بدست می‌آید:


(2NaCl(l)→2Na(l) + Cl2(g

مسیر جریان الکترونها در الکترولیز
الکترونها از منبع جریان خارج شده ، بهطرف کاتد روانه می‌شوند. در آنجا یونهای سدیمی که به طرف این الکترود منفی جذبشده‌اند، الکترونها را می‌گیرند و کاهیده می‌شوند. یونهای کلرید از کاتد دور و بهآند کشیده می‌شوند و در نتیجه ، بار منفی را در این جهت حمل می‌کنند. در آند ،الکترونها از یونهای کلرید جدا شده ، بوسیله منبع جریان به طرف خارج سلول راندهمی‌شوند، بدین طریق ، مدار کامل می‌شود. البته ، یونهای کلرید با از دست دادنالکترون اکسید شده ، به‌صورت گاز کلر درمی‌آیند.
عوامل موثر بر رسانش الکترولیتی
از آنچه گفته شد، مشخص می‌شود که رسانشالکترولیتی بهتحرکیونهامربوطه می‌شود و هر چیز که این یونها را از حرکت باز دارد، موجب ایجادمقاومت در برابر جریان می‌شود. عواملی که بر رسانش الکترولیتی محلولهایالکترولیتاثر دارند، عبارتند از: جاذبه‌های بین یونی ، حلالپوشی یونها و گرانروی حلال. اینعوامل به‌ترتیب به جاذبه‌های بین ذرات ماده حل شده ، جاذبه‌های بین ذرات حلال وماده حل شده و جاذبه‌های بین ذرات حلال مربوط می‌شوند.
انرژی جنبشی متوسطیونهای ماده حل شده با افزایشدمازیاد می‌شود. و بنابراین، مقاومت رساناهای الکترولیتی به‌طور کلی با افزایش دما کاهش می‌یابد (یعنی رساناییزیاد می‌شود). به‌علاوه ، اثر هر یک از سه عامل مذکور با زیاد شدن دما ، کممی‌شود.
باید توجه داشته باشیم که در هر زمان ، تمام قسمتهای محلولالکترولیت از نظر خنثی می‌ماند، زیرا بار مثبت کلی همه کاتیونها برابر با بار منفیهمه آنیونها است.

استوکیومتری الکترولیز
روابط کمی میان الکتریسیته و تغییر شیمیایی براینخستین بار در سالهای 1832 و 1833 بوسیله "مایکلفارادی" بیان شد. برای درک کارفارادی، بهترین راه مراجعه به نیمواکنشهایی است که به هنگام عمل الکترولیز صورت می‌گیرد. به هنگام الکترولیز سدیمکلرید مذاب ، تغییر در کاتد:


Na+ + e→Na
نشان می‌دهد کهبرای تولید یک اتمسدیم، یک الکترون لازماست. پس برای تولید یک مول سدیم فلزی ( 22.9898g Na ) ، یک مول الکترون ( عددآووگادرو الکترون ) لازم است. مقدار بار معادل با یک مول الکترون ،فارادی (F) نامیده می‌شود. یک فارادی برابر با 96485 کولن است که برای مسائل معمولی ،آن را گرد کرده، برابر با 96500C در نظر می‌گیریم:


1F=96500C
اگر 2F الکتریسیته مصرف شود، 2 مول Na تولید می‌شود. در همان زمان که عده الکترونهایی معادل 1F الکتریسیته به کاتد اضافهشود، همان عده الکترون از آند جدا می‌شود:


2Cl→Cl2(g) + 2e
نتیجه جداشدن 1mol الکترون (1F) از آند ، تخلیه بار یک مول یون-Cl و تولید 0.5mol گاز کلر است. اگر 2F الکتریسیته در سلول جریان یابد، 2 مول یون تخلیه می‌شودو 1mol گاز Cl2 آزاد می‌شود. بنابراین واکنشهای الکترودی را می‌توان برحسب مول و فارادی تفسیر کرد. مثلا ، اکسایش آندی یون هیدروکسید:


4OH-→O2(g) + 2H2O + 4e
را می‌توان این طور بیان کرد که وقتی 4F الکتریسیته از سلولمی‌گذرد، 4 مول یون-OH ، یک مول گاز O2 و دو مول H2O تولید می‌کند. روابط میان مولهایمادهو فارادی هایالکتریسیته ، مبنای محاسبات استوکیومتری مربوط به الکترولیز است. به خاطر داشتهباشید که یک آمپر (1A) برابر آهنگ جریان یک کولن (1C) در ثانیه است.

 

[قاسم معتمدی]

قوانین الکترولیز فارادی
الکترولیزیابرقکافت، کاربردی از علمشیمیفیزیکاست که مبنای آن ، اکسیداسیون و احیا و پتانسیلهای اکسید و احیای عناصرشیمیایی است و در آزمایشگاه و صنعت کاربردهای فراوانی دارد. قوانین حاکم برالکترولیز ، قوانین فارادی است که با این قوانین آشنا می‌شویم.
قانون اول فارادی در الکترولیز
وقتی که جریان الکتریکی از محلولهایی مثلاسیدسولفوریکرقیق می‌گذرد،آببه اجزایش یعنیهیدروژنواکسیژنتجزیه می‌شود. آنها در اطراف صفحات متصل به قطبهای منفی و مثبت باتری آزاد می‌شوند. محلولهایی از این نوع که با گذشتن جریان از آنها بطور شیمیائی تجزیه می‌شوند،الکترولیتنامیده می‌شوند و فرایند تجزیه ماده بر اثر جریان الکتریکی بهالکترولیزمعروف است و رساناهایی را که در الکترولیت فرو می‌برند و جریان را به آن می‌رسانند،الکترودنام نهاده‌اند. الکترود مثبت بهآندو الکترود منفی بهکاتدمعروف است.
محصولات تجزیه الکترولیت مثل اکسیژن و هیدروژن تا وقتی که جریان عبور می‌کند،بر الکترودها می‌نشینند. جرم ماده ای را که در الکترود آزاد می‌شود، می‌توان اندازهگرفت. اگر محلول چنان انتخاب شود که ماده آزاد شده بر الکترود رسوب کند، این جرم رامی‌توان به‌آسانی اندازه گرفت. مثلا اگر از محلول سلفات مس جریان بگذرد،مسبرکاتد رسوب می‌کند. این پدیده را در صورتیکه مثلا کاتد ازکربنساختهشده باشد، می‌توان به‌آسانی مشاهده کرد. لایه نازک مس بر سطح سیاه کربن بوضوحمشاهده می‌شود. با وزن کردن کاتد قبل و بعد از آزمایش می‌توان جرم فلز رسوب کرده رادقیقا معین کرد.
اندازه‌گیری نشان می‌دهد که جرممادهآزاد شده در هرالکترود ، به جریان الکتریکی و مدت الکترولیز بستگی دارد. با بستن مدار برای فواصلزمانی متفاوت می‌توان اطمینان یافت که جرم ماده آزاد شده با مدت زمان عبور جریانمتناسب است. بنابراین ، جرم آزاد شده در الکترولیز هم با جریان الکتریکی و هم بامدت زمان انجام آزمایش متناسب است. پس به حاصلضرب آنها نیز وابستگی دارد. اما اینحاصلضرب مساوی باری است که از الکترولیت گذشته است. در نتیجه جرم ماده آزاد شده درالکترود متناسب است با بار یا مقدار الکتریسته ای که از الکترولیت گذشته است. اینقانون مهم را اولین بار ، "فارادی" وضع کرد و بهقانون اول فارادی درالکترولیتهامعروف است.
اگر m جرم ماده رسوب کرده ، I جریان الکتریکی ، t زمان الکترولیز و q بار کلیباشد که در مدت زمان t از الکترولیت گذشته است. قانون اول فارادی به شکل زیر نوشتهمی‌شود: m=Kq=KIt که در آن ، K ضریب تناسب است. با فرض اینکه q=1 C (با کل یک کولن) باشد، در می‌یابیم که ضریب K مساوی جرم ماده آزاد شدهتوسط بار 1C ، یا به عبارت دیگر جرم ماده آزاد شده توسط جریان 1A درمدت 1S زمان است.
بررسی‌هایفارادینشان داد که هر ماده مقدار K معینی دارد که مشخصه آنماده است. مثلا در الکترولیز نیترات نقره ، بار 1C مقدارنقره 1.1180mg را آزاد می‌کند. همین مقدار نقره توسط 1C در الکترولیز هر نمک نقره مثلاکلرور نقره ومانند آن آزاد می‌شود. جرم ماده آزاد شده در الکترولیز نمک هر فلزدیگری با این مقدار ، تفاوت خواهد داشت. کمیت K ،هم‌ارز الکتروشیمیایی ماده دادهنامیده می‌شود.
تعریف هم‌ارز الکتروشمیایی
هم‌ارز الکتروشیمیایی یک جسم ، عبارت است ازجرم آزاد شده از این جسم در الکترولیز ، وقتی که یک کولن الکتریسته از محلول بگذرد.
قانون دوم فارادی
با توجه به اینکه هم‌ارز الکتروشیمیایی مواد مختلف بسیارمتفاوت است، چه خواصی از جسم هم‌ارز الکتروشیمیایی آنرا تعیین می‌کنند؟ پاسخ اینسوال در قانون مهم دیگری که آن را نیزفارادیبا آزمایش به‌اثبات رساند،نهفته است.
هم‌ارز الکتروشیمیایی اجسام مختلف با جرم مولی آنها متناسباست و با ظرفیت شیمیایی آنها نسبت عکس دارد. ظرفیت شیمیایی هر اتمی را با تعداداتم‌هایهیدروژنتعریف می‌کنند که می‌توانند با آن ، ترکیب یا جانشین آن شوند.
مثال عددی برای توضیح قانون دوم
جرم مولی نقره 0.1079Kg/mol و ظرفیت آنمساوی یک است. جرم مولیروی 0.0651Kg/mol و ظرفیت آندو است. بنابراین ، مطابق قانون دوم فارادی ، نسبت هم‌ارز الکتروشیمیائی نقره و رویبرابر است با: 3.30=(0.0654/2)/(0.1079/1)
اگر هم‌ارز الکتروشیمیایی یک جسم را با [K[Kg/C ، جرم مولی آن را با [M[Kg/mol و ظرفیت آنرا با ( 1,2,3,...) n نمایش دهیم، می‌توان قانوندوم فارادی را به این شکل (K=(1/F)(M/n نوشت. در اینجا F ضریب تناسبو ثابب عمومی است، یعنی برای تمام اجسام مقدار یکسان دارد. کمیت F بهثابت فارادیمعروف است. مقدار آن که با آزمایش معین شده برابر است با:
F=96484C/mol
برخی عناصر در ترکیبات مختلف ، ظرفیتهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند، مانندمسکهیک فلز دو ظرفیتی است. بنابراین مس ، دو هم‌ارز الکتروشیمیایی دارد. نسبت جرم مولیهر جسم به (ظرفیت شیمیایی آن ، هم‌ارز شیمیایی آن جسم نامیده می‌شود. این نسبت ،مبین جرم جسمی است که برای جایگزین یک مول هیدروژن در ترکیبات لازم است.
برای اجسام تک‌ظرفیتی هم‌ارز الکتروشیمیایی اجسام با هم‌ارز شیمیایی آنهامتناسب است. بنابراین دو قانون فارادی را در هم ادغام می‌کنیم که در آن ، جرم مادهآزاد شده بر اثر عبور مقدار الکتریسته q از الکترولیت است. این فرمول m=(1/F)(M/n) q مفهوم فیزیکی ساده ای دارد. ثابت فارادی F ، به عدد ،مساوی با باری (q) است که باید از هر الکترولیتی بگذرد تا مقدار جسم آزاد شده درالکترودها با هم‌ارز شیمیایی آن جسم (M/n) برابر باشد.
کاربردهای الکترولیز
الکترولیزیابرقکافت، کاربردی از علمشیمیفیزیکاست که مبنای آن ، اکسیداسیون و احیا و پتانسیلهای اکسید و احیای عناصرشیمیایی است و در آزمایشگاه و صنعت کاربردهای فراوانی دارد. با برخی از اینکاربردها آشنا می‌شویم.
اندازه گیری جریان الکتریکی
الکترولیز ، روش مناسبی برای اندازه گیری باریاست که از بخش معینی از مدار می‌گذرد. برای این منظور ، باید یک ظرف الکترولیتی رابه این جزء مدارمتصل کرد ( مانند بدست آوردننقره ) و جرم ماده رسوبکرده بر الکترودها را اندازه گرفت. از تقسیم جرم رسوب بر هم‌ارز الکتروشیمیایی آن ،مقدار باری که از این قسمت مدار گذشته است، بدست می‌آید.
برای تعیین جریانالکتریکی در مدار ، کافی است که جرم رسوب کرده روی الکترودها در زمانی را که طولکشیده است، اندازه بگیریم. اگر در این مدت زمان ، جریان تغییر نکرده باشد، نسبت جرمرسوب به زمان و هم‌ارز الکتروشیمیایی بر طبققوانینالکترولیز فارادیجریان مدار را بدست می‌دهد.

 

[قاسم معتمدی]

مدرج کردن آمپرسنج‌ها
با استفاده از مقادیر اندازه گیری شده برایهم‌ارزهای شیمیایی می‌توان آمپرسنج‌ها ( گالوانومترها ) با هر مبنای ساختمانی را بادقت بالایی مدرج کرد. برای این منظور کافی است ظرف الکترولیت و آمپرسنج را بطورمتوالی به هم بسته و جریان ثابتی را درمدت زمان معین از آنها بگذرانیم ( ثابت بودنجریان را می‌توان از ثابت بودن عقربه به آمپرسنج کنترل کرد ) و سپس بوسیله وزن کردن، جرم جسم رسوب کرده را معین نماییم. اگر هم‌ارز الکتروشیمیایی ماده مربوط رابدانیم، می‌توانیم مقدار الکتریسیته ای را که از مدار گذشته است، بر حسبکولنمعین نماییم و از تقسیم مقدار بار برزمان دایر بودن جریان (t) ، جریان بر حسبآمپربدستمی‌آید.
طبیعی است که این روش در عمل برای مدرج کردن آمپرسنج های استانداردبکار می‌رود. اگر یک چنین آمپرسنج را بدقت مدرج کرده باشیم، با اتصال این آمپرسنجبه هر سیستم آمپرسنجی بطور متوالی می‌توانیم با آمپرسنج استاندارد ، آن را مدرجنماییم. با این روش ، دقت آمپرسنج‌ها را نیز تست می‌کنند.
روش الکترولیتی بدست آوردن فلزات خالص
مس، مثال گویایی از این خالص سازییا تصفیه الکترولیتی است. سنگ معدن مس، حاوی ترکیبی از مس باگوگرد، اکسیدهاو نیز ناخالصی‌هایی از فلزات بیگانه ( Ni ، Pb ، Sb ، As ، Bi و غیره ) است. مسی راکه مستقیما از سنگ معدن بدست آمده و دارای ناخالصی‌هایی است، به شکل تیغه‌هاییقالب‌ریزی و به‌عنوانآنددر محلول سولفات مس قرار می‌دهند.
با انتخاب ولتاژ مناسب (o.2v تا o,25 ولت ) در الکترودهای الکترولیت می‌توان اطمینان یافت که فقط فلز مس در کاتد رسوبمی‌کند. ناخالصی‌های بیگانه یا به داخل محلول می‌روند ( بدون رسوب در کاتد ) یا درکف قرار می‌گیرند و فلز خالص مس در کاتد ایجاد می‌گردد.
آبکاری الکتریکی
با استفاده ازالکترولیز، فلزی را می‌توان با لایه ای از فلزات دیگر پوشانید ( لایه نشانی ). این فرایند بهآبکاریالکتریکیمعروف است. از نظر فنی ، مهمترین کاربرد آبکاری با فلزاتخاصیتاکسایشضعیف است ( بخصوص ،آبکارینیکل و کرم). همینطور ، آبکاری نقره و طلا برای محافظت فلزات ازخوردگیدر هوا است.
برای بدست آوردن پوشش لازم ، جسم را بطور مکانیکی ، کاملا تمیزو چربی‌زدایی می‌کنند و آن را به‌عنوانکاتددرمحلولالکترولیتیحاوی نمک فلزی قرار می‌دهند که جسم باید با آن آبکاری شود. برایاینکه آبکاری یکنواخت‌تر باشد، بهتر است دو تیغه به‌عنوان آند بکار گرفته شود و جسمبین آن دو قرار گیرد.

شکل‌سازی الکتریکی
قالب‌سازی الکتریکی ، نمونه ای از کاربردهای ویژهالکترولیز در صنعت می‌باشد. با استفاده از الکترولیز نه فقط می‌توان اشیا را بالایه ای از فلزات پوشش داد، بلکه می‌توان نمونه‌های فلزی برجسته ای از آنها تهیهکرد (مثل سکه‌ها ، مدال‌ها و غیره). این فرایند را در سالهای 1840 ، "یاکوبی" (B.S.Yakobi) فیزیکدان و مهندس برق روسی تکامل بخشید و آن راشکل‌سازی الکتریکی نام نهاد.
برای ساختن یک نمونه برجسته از یک شیء ابتداقالب شیء با مادهپلاستیکیمثل موم ساخته می‌شود. این قالب با پوشش خود بوسیلهگرافیت،رسانای الکتریسیته می‌شود و سپس به‌عنوانکاتددر محلول الکترولیت کار گذاشته می‌شود. در خلال الکترولیز ، لایه ای از فلز باضخامت مورد نظر بر قالب می‌نشیند.
قالب‌سازی الکتریکی ، کاربرد مهمی در چاپ، یعنی چاپ الکتریکی دارد. در این فرایند ، یک متن از پیش نوشته معمولی تهیهمی‌شود. سپس قالبی از موم یا پلاستیک برای آن ساخته می‌شود. پس از پوشش قالب باگرافیت ، آن را در محلول الکترولیت قرار می‌دهند و در آنجا لایه کلفتی از مس روی آنمی‌نشیند. برای استحکام این لایه ، پشت نمونه را با فلز چاپ آلیاژی با نقطه ذوبپایین با ماده اولیهسرب) پوشانده می‌شود. نمونهبدست آمده از پیش نوشته بعدا برای چاپ بکار می‌رود.
الکترولیزبدون نیاز بهجریان برق
شايد بسيار عجيب باشد كه عمليات الكتروليز را بدون جريان برق انجام داد.امااين كار انجام پذير است.هر چند اين نوع دستگاه الكتروليز به علت وزني كه دارد برايهر نوع استفاده اي مناسب نيست اما نظر به اينكه از جريان برق بي نياز است قابل توجهمي باشد........
استفاده از الكتروليزامروزه بهترين راه براي توليد سوخت پيل ميباشد. اين برتري به دلايل زيراست:
1- الكتروليز علاوه بر توليد هيدروژن، اكسيژنمورد نياز پيل را نيز توليد مي كند.
2-الكتروليزبسيار ساده و با خلوص بالا هيدروژن توليد ميكند
3-هزينه هاي آن در مقايسه با روش هاي ديگر بسياركمتر است و...
در واقع تنهامشكلي كه براي استفاده از الكتروليز وجود دارد نيازمند بودن آن به برق است. ديگراينكه در صورت استفاده پيل براي وسايل نقليه حمل آب نا مناسب به نظر ميرسد كه اينمشكل با ذخيره سازي هيدروژن قابل حل است.
اما در مورد مشكل اول بايد گفت كه تحقيقات بسياري براي انجامالكتروليز بدون نياز به جريان الكتريسيته انجام گرفته است. كه در اينجا به اينمسٌله ميپردازيم:
شايد بسيار عجيبباشد كه عمليات الكتروليز را بدون جريان برق انجام داد.اما اين كار انجام پذيراست.هر چند اين نوع دستگاه الكتروليز به علت وزني كه دارد براي هر نوع استفاده ايمناسب نيست اما نظر به اينكه از جريان برق بي نياز است قابل توجه ميباشد.
در اين دستگاهاز خاصيت مغناطيسي براي تبديل آب به يون هاي سازنده استفاده مي شود به اين صورت كهآب را از مسيرهايي با ديواره هاي مغناطيسي عبور مي دهند. آب در حين عبور از اينمسير ها به يون هاي سازنده تبديل ميشود و به الكترود هاي موجود منتقل مي شود تايونهاي هيدروژن اكسيده و اكسيژن كاهيده شود. به اين طريق جرياني از الكترون بينالكترود کاتد و آند ايجاد ميشود. در واقع به جاي اينكه جريان برق يون ها را مجبوربه الكترون دادن يا گرفتن كنند،خود يون ها داوطلبانه به سمت الكترود ها ميروند وجرياني از الكترون را برقرار مي كنند.البته بايد به اين مطلب هم توجه داشت كه اينجريان ايجادي صرف اكسايش هيدروژني ميشود كه جفت اكسيژنش آن را ايجاد كرده. بنا براين جهت ادامه الكتروليز نمي توان از اين جريان استفاده كرد.
همانطور كه اشاره شد، استفاده از اين روش به دليل وجود تجهيزاتمغناطيسي به نسبت سنگين است. و نيز براي توليد هيدروژن مطلوب هزينه بر نيز ميباشد. اما با توجه به عدم وابستگي آن به جريان برق به نظر مناسب ميآيد.

 

[hamid96]

الکترولیز

الکترولیز

مقدمه:
فرآيندی که طی آن انرژی الکتريکی تبديل به انرژی شيميايی می شود را الکتروليز می گويند .اين پديده درسلولی به نام سلولهای الکتروليتی انجام می گيرد.وشامل دوالکترود است که هريک توسط يک رشته سيم رسانا بهيک قطب باتری متصل شده اند ودرمحلول الکتروليت مناسب قرار می گيرند .واکنشی که درسلول الکتروليتی انجام می گيرد انرژی خواه بوده ودرنتيجهمحتوای انرژی فراورده بالاترازواکنش دهنده ها می باشد .باتری قرارگرفته درمدار نقش يک پمپ الکترون راداردکه با صرف کارالکتريکی ،الکترون را از آند گرفته ودراختيار کاتد قرار می دهد.
بايد درنظر داشت که:
1ـ در کاتد همواره عمل کاهش صورت می گيرد با اين تفاوت که درسلولهای گالوانی نقش قطب مثبت داشته، اما در سلولهای الکتروليتی به قطب منفی مولد متصل می شود .
2ـ درآند که همواره عمل اکسايش انجام می گيرد درسلول گالوانی نقش قطب منفی را دارددر حالی که در سلولالکتروليتی بايد به قطب مثبت متصل شود.
کاربردهای الکترولیز:
- اندازه گیری جریان الکتریکی:
الکترولیز ، روش مناسبی برای اندازه گیری باری است که از بخش معینی از مدارمی‌گذرد. برای این منظور ، باید یک ظرف الکترولیتی را به این جزء مدارمتصل کرد(مانند بدست آوردننقره)و جرم ماده رسوب کرده بر الکترودها را اندازه گرفت. از تقسیم جرم رسوب بر هم‌ارزالکتروشیمیایی آن ، مقدار باری که از این قسمت مدار گذشته است، بدستمی‌آید.برای تعیین جریان الکتریکی در مدار ، کافی است که جرم رسوب کرده رویالکترودها در زمانی را که طول کشیده است، اندازه بگیریم. اگر در این مدت زمان ،جریان تغییر نکرده باشد، نسبت جرم رسوب به زمان و هم‌ارز الکتروشیمیایی بر طبققوانینالکترولیز فارادیجریان مدار را بدست می‌دهد.
-مدرج کردن آمپرسنج‌ها:
با استفاده از مقادیر اندازه گیری شده برای هم‌ارزهای شیمیایی می‌توان آمپرسنج‌ها(گالوانومترها ) با هر مبنای ساختمانی را با دقت بالایی مدرج کرد. برای این منظورکافی است ظرف الکترولیت و آمپرسنج را بطور متوالی به هم بسته و جریان ثابتی رادرمدت زمان معین از آنها بگذرانیم ( ثابت بودن جریان را می‌توان از ثابت بودن عقربهبه آمپرسنج کنترل کرد ) و سپس بوسیله وزن کردن ، جرم جسم رسوب کرده را معین نماییم. اگر هم‌ارز الکتروشیمیایی ماده مربوط را بدانیم، می‌توانیم مقدار الکتریسیته ای راکه از مدار گذشته است، بر حسبکولنمعین نماییم و از تقسیم مقدار بار برزمان دایر بودن جریان (t) ، جریان بر حسبآمپربدست می‌آید.طبیعی است که این روش در عمل برای مدرج کردن آمپرسنج هایاستاندارد بکار می‌رود. اگر یک چنین آمپرسنج را بدقت مدرج کرده باشیم، با اتصال اینآمپرسنج به هر سیستم آمپرسنجی بطور متوالی می‌توانیم با آمپرسنج استاندارد ، آن رامدرج نماییم. با این روش ، دقت آمپرسنج‌ها را نیز تست می‌کنند.
-روش الکترولیتی بدست آوردن فلزات خالص:
مس، مثال گویایی از این خالص سازی یا تصفیه الکترولیتی است. سنگ معدن مس، حاوی ترکیبی از مس باگوگرد، اکسیدها و نیز ناخالصی‌هایی از فلزات بیگانه Ni) ، Pb، Sb ، As ، Bi و غیره( است. مسی را که مستقیما از سنگ معدن بدست آمده و دارای ناخالصی‌هایی است، به شکلتیغه‌هایی قالب‌ریزی و به‌عنوانآنددر محلول سولفات مس قرار می‌دهند.با انتخاب ولتاژ مناسب o.2) تا o,25 ولت( در الکترودهای الکترولیت می‌توان اطمینان یافت که فقط فلز مس در کاتد رسوبمی‌کند. ناخالصی‌های بیگانه یا به داخل محلول می‌روند ( بدون رسوب در کاتد ) یا درکف قرار می‌گیرند و فلز خالص مس در کاتد ایجاد می‌گردد.
- آبکاری الکتریکی:
با استفاده ازالکترولیز، فلزی را می‌توان با لایه ای از فلزات دیگر پوشانید ( لایه نشانی ). این فرایند بهآبکاریالکتریکیمعروف است. از نظر فنی ، مهمترین کاربرد آبکاری با فلزاتخاصیتاکسایشضعیف است ( بخصوص ،آبکارینیکل و کروم)همینطور ، آبکاری نقره و طلا برای محافظت فلزات ازخوردگیدر هوا است.برای بدست آوردن پوشش لازم ، جسم را بطور مکانیکی ، کاملا تمیز و چربی‌زداییمی‌کنند و آن را به‌عنوانکاتد درمحلولالکترولیتی حاوی نمک فلزی قرار می‌دهند که جسم باید با آن آبکاری شود. برایاینکه آبکاری یکنواخت‌تر باشد، بهتر است دو تیغه به‌عنوان آند بکار گرفته شود و جسمبین آن دو قرار گیرد.
- شکل‌سازی الکتریکی:
قالب‌سازی الکتریکی ، نمونه ای از کاربردهای ویژه الکترولیز در صنعت می‌باشد. بااستفاده از الکترولیز نه فقط می‌توان اشیا را با لایه ای از فلزات پوشش داد، بلکهمی‌توان نمونه‌های فلزی برجسته ای از آنها تهیه کرد (مثل سکه‌ها ، مدال‌ها و غیره) . این فرایند را در سالهای 1840 ، "یاکوبی"(B.S.Yakobi) فیزیکدان و مهندس برقروسی تکامل بخشید و آن را شکل‌سازی الکتریکی نام نهاد .برای ساختن یک نمونهبرجسته از یک شیء ابتدا قالب شیء با مادهپلاستیکی مثل موم ساخته می‌شود. این قالب با پوشش خود بوسیلهگرافیت ، رسانای الکتریسیته می‌شود و سپس به‌عنوانکاتد در محلول الکترولیت کار گذاشته می‌شود. در خلال الکترولیز ، لایه ای از فلز باضخامت مورد نظر بر قالب می‌نشیند .قالب‌سازی الکتریکی ، کاربرد مهمی در چاپ، یعنی چاپ الکتریکی دارد. در این فرایند ، یک متن از پیش نوشته معمولی تهیهمی‌شود. سپس قالبی از موم یا پلاستیک برای آن ساخته می‌شود. پس از پوشش قالب باگرافیت ، آن را در محلول الکترولیت قرار می‌دهند و در آنجا لایه کلفتی از مس روی آنمی‌نشیند. برای استحکام این لایه ، پشت نمونه را با فلز چاپ آلیاژی با نقطه ذوبپایین با ماده اولیهسرب پوشانده می‌شود. نمونه بدست آمده از پیش نوشته بعدا برای چاپ بکار می‌رود.
در این آزمایش به بررسی عوامل موثر در الکترولیز محلول سولفات مس از قبیل دما ، زمان و ولتاژ پرداخته شد.
.

 

[hamid96]

الکترولیز

الکترولیز

آزمایش:
- مواد لازم:
سولفات مس جامد
اسید سولفوریک
آب مقطر
- وسایل مورد نیاز:
بشر ، ترازو ، پیپت ، تیغه مسی ، تیغه سربی ، سمباده ، سیم ، دستگاه تولید جریان ، گرمکن ،خشک کن(oven) و زمان سنج
- روش انجام آزمایش:
ابتدا میزان3.2gr سولفات مس توسط ترازو وبا دقت 0.01grوزن وبه 200cc آب مقطر موجود در بشر اضافه شد و توسط پیپت مقدار1cc اسیدسولفوریک نیز به آن افزوده شد وبا همزدن دستی سولفات مس در محلول حل شد. تا اینجا برای بررسی سه عامل زمان ، دما و ولتاز ثابت بود.
- برای بررسی زمان:
پنج محلول با شرایط ذکر شده آماده شد سپس در هر یک از آن ها یک تیغه مسی به عنوان کاتد ویک تیغه سربی به عنوان آند قرار داده شد سپس تیغه های مس به قطب منفی و تیغه های سرب به قطب مثبت دستگاه های تولید جریان متصل شدند و ولتاز روی 5ولت تنظیم شد و جریان به ترتیب پس از
5 ، 10 ، 25 ،30 و40 دقیقه قطع شد والکترود های مسی پس از خشک شدن در خشک کن توسط ترازو با دقت0.01gr وزن شدند ومیزان افزایش وزن به دست آورده شد .
-برای بررسی دما:
سه محلول با شرایط ذکر شده آماده شد سپس در هر یک از آن ها یک تیغه مسی به عنوان کاتد ویک تیغه سربی به عنوان آند قرار داده شد سپس تیغه های مس به قطب منفی و تیغه های سرب به قطب مثبت دستگاه های تولید جریان متصل شدند و ولتاز روی 5ولت تنظیم شد آن گاه محلول ها به ترتیب در گرم کن هایی با دما هی 30 ، 40 و50 درجه سانتیگراد قرار داده شدند و پس از مدت 45 دقیقه جریان قطع شد والکترود های مسی پس از خشک شدن در خشک کن توسط ترازو با دقت0.01gr وزن شدند ومیزان افزایش وزن به دست آورده شد .
- برای بررسی ولتاژ:
چهار محلول با شرایط ذکر شده آماده شد سپس در هر یک از آن ها یک تیغه مسی به عنوان کاتد ویک تیغه سربی به عنوان آند قرار داده شد سپس تیغه های مس به قطب منفی و تیغه های سرب به قطب مثبت دستگاه های تولید جریان متصل شدند سپس به ترتیب ولتازروی2.5 ،5 ، 7 و8 تنظیم شد وپس از گذشت 5 دقیقه جریان قطع والکترود های مسی پس از خشک شدن در خشک کن توسط ترازو با دقت0.01gr وزن شدند ومیزان افزایش وزن به دست آورده شد .
- بررسی تغییرات آمپراژ:
برای بررسی تغییرات آمپراز با زمان ابتدا مقدار16gr سولفات مس توسط ترازو وبا دقت 0.01grوزن وبه 200cc آب مقطر موجود در بشر اضافه شد و توسط پیپت مقدار1cc اسیدسولفوریک نیز به آن افزوده شد وبا همزدن دستی سولفات مس در محلول حل شد. سپس یک تیغه مسی به عنوان کاتد ویک تیغه سربی به عنوان آند در آن قرار داده شد سپس تیغه مس به قطب منفی و تیغه سرب به قطب مثبت دستگاه تولید جریان متصل شد و ولتاز روی 5 ولت تنظیم شد سپس هر 5 دقیقه یکبار تا 60 دقیقه آمپراز ثبت شد و پس از 1ساعت جریان قطع والکترود مسی پس از خشک شدن در خشک کن توسط ترازو با دقت0.01gr وزن شد ومیزان افزایش وزن به دست آورده شد.
باید به این نکته متذکر شد که در تعدادی از مراحل که مقداری از مس تشکیل شده به هنگام خارج کردن الکترود در محلول ریخت عمل صاف کردن محلول با کاغذ صافی انجام شد و میزان مس باقیمانده روی صافی به میزا ن مس روی کاتد اضافه شد. همچنین الکترودها قبل از استفاده سمباده زده شدند.
اعداد به دست آمده در قسمت نتایج بررسی شد.







- نتایج:

نمودار1


(ولتاژ=5v - دما=محیط - مولاریته سولفات مس=0.1M)​

با توجه به نمودار 1 نتیجه گیری شد که با افزایش زمان سرعت الکترولیز افزایش یافت چون با افزایش زمان میزان الکترون های آزاد شده توسط آند افزایش یافته وباعث می شد تعداد یون های مس بیشتری در اطراف کاتد احیا شود ودر نتیجه میزان مس تولیدی افزایش یافت.

نمودار2


(ولتاز=5v - زمان= 45min - مولاریته سولفات مس=0.5M)​

با توجه به نمودار 2 نتیجه گیری شد که با افزایش دما سرعت الکترولیز افزایش یافت چون با افزایش دما واکنش ها بهتر انجام می شدند .

نمودار3


(دما=محیط - زمان=- 5min مولاریته سولفات مس=0.1M)​

با توجه به نمودار 3 نتیجه گیری شد که با افزایش ولتاز اعمالی سرعت الکترولیز افزایش یافت.

H2O= (2H[FONT=F_grand kufi]+[/FONT]) + (1/2O2) + 2e Eº=-1.23 V واکنش آندی


Cu²[FONT=F_grand kufi]+[/FONT]) + 2e = Cu Eº= 0.34 V) واکنش کاتدی


(Cu²[FONT=F_grand kufi]+[/FONT]) + H2O = Cu + (2H[FONT=F_grand kufi]+[/FONT]) + (1/2O2) Eº= -0.89 V​

ΔGº=-nFE º​

با توجه به واکنش های بالا وبا توجه به این که ΔGº این واکنش مقداری مثبت بود درنتیجه این واکنش به طور خودبه خودی انجام نمی شد پس باید به سیستم ولتاز اعمال می شد در نتیجه هر چه ولتاز بالاتر می رفت این واکنش ها بهتر صورت می گرفت وباعث افزایش وزن مس تولیدی می شد.

نمودار4


(دما=محیط - ولتاز=5v - مولاریته سولفات مس=0.5M)​

با توجه به نمودار 4 دیده شد که با افزایش زمان آمپراژ افزایش می یافت که شاید این به دلیل انحلال بیشتر آند وتولید بیشتر الکترون آزاد نسبت به توانایی کاتد برای احیا بوده است.
-خطاهای آزمایش:
1)شرایط الکترودها در تمام آزمایش ها یکسان نبود به خصوص در مورد فاصله الکترودها از یکدیگر
2)امکان وجود ناخالصی روی هر دو الکترود وجود داشت که ای نناخالصی ها باعث تغییر شرایط می شد.
نتیجه گیری کلی:
1) با افزایش زمان مس بیشتری روی کاتد رسوب می کرد به همین دلیل الکترولیز در مقیاس صنعتی در زمان های طولانی چند روز انجام می شود.
2)دما بر سرعت تشکیل مس تاثیر مستقیم داشت و با افزایش آن مس تولدی افزایش می یافت.
3)با افزایش ولتاژ سرعت تولید مس افزایش می یافت البته باید توجه داشت که صرفه ا قتصادی نیز مد نظر قرار گیرد