تطبيقات الخلايا الاليكتروليتية

يوجد العديد من التطبيقات على الخلايا الاليكتروليتية (تكنولوجيا التحليل الكهربائي) أهمها استخلاص المعادن من خاماتها وتنقية الفلزات والطلاء الكهربائي ، وسنبدأ الحديث عنها بالتفصيل مع الأمثلة :

1- استخلاص العناصر :

يمكن استخلاص الكثير من العناصر بالتحليل الكهربائي لمحاليل مركباتها الأيونية ، ولكن هنا تبرز صعوبتان: أولاهما أن كثير من المركبات الأيونية الموجودة في الطبيعة قليلة الذوبان في الماء وثانيهما أن الماء عامل مؤكسد أقوى من كثير من أيونات الفلزات.

وللتغلب على هذه الصعوبات تم استخدام تكنولوجيا تستثني وجود الماء وذلك باستخدام مصاهير هذه المركبات خاصة وأن تلك المصاهير موصلة جيدة للكهرباء ، ومن أشهر الأمثلة على ذلك استخلاص عنصر الألومنيوم .

اكتشف الألومنيوم في فرنسا عام 1800م وهو من العناصر المهمة في حياتنا لما يتمتع به من مميزات كاللمعان والصلابة ومقاومة التآكل ، ولذلك يدخل في صناعات متعددة كالأبواب والشبابيك وهياكل الطائرات .

ولقد تعثر إنتاج الألومنيوم على نطاق تجاري وذلك لارتفاع درجة انصهار الخام الرئيسي له البوكسيت Al₂O₃ حيث تبلغ 2072 درجة مئوية ، وفي عام 1886م تمكن كل من شارلز هول في أمريكا وباول هيرولت في فرنسا في تخفيض درجة انصهار الخام إلى 1000 درجة مئوية عند إذابته في مصهور خام الكريولايت Na₃AlF₆ ، حيث تم إمرار التيار الكهربائي في خلية سميت خلية هول هيرولت .

وتتكون هذه الخلية من وعاء فولاذ مبطن بالجرافيت ( الكربون) الذي يشكل مهبط الخلية حيث تختزل أيونات الألومنيوم مكونة الألومنيوم السائل ، ثم يجمع الألومنيوم في قعر الخلية .

أما مصعد الخلية فهو عبارة عن قضبان من الجرافيت يحدث عليها تأكسد أيونات الأكسجين مكونة غاز الأكسجين كما يلي :

يجب استبدال قضبان الجرافيت في الخلية من وقت لأخر وذلك لأنها تتآكل بسبب تفاعل الأكسجين الناتج مع قضبان الجرافيت منتجا غاز ثاني أكسيد الكربون .

وهنا فلاش يوضح هذه العملية.

2- تنقية الفلزات :
لتنقية فلز بالتحليل الكهربائي يتم تكوين خلية الكتروليتية يكون فيها :
الأنود ( القطب الموجب ) من الفلز غير النقي و الكاثود ( القطب السالب ) سلك أو قطب من الفلز النقي والالكتروليت محلول احد أملاح الفلز المراد تنقيته.
فعند الانود تتأكسد الشوائب التي جهود اختزالها اقل من الفلز المراد تنقيته أولا ومن ثم تتأكسد ذرات الفلز المراد تنقيته وتسقط في قاع الوعاء الشوائب التي لها جهد اختزال اكبر من جهد اختزال الفلز .
وعند الكاثود : تختزل كاتيونات الفلز المراد تنقيته لأنها الأكبر في جهد الاختزال وتتحول إلى ذرات تترسب على السلك النقي فيتم بذلك الحصول على الفلز النقي .
تنقية النحاس بالتحليل الكهربائي :
يمكن تنقية النحاس – بعد استخلاصه من خاماته - بالتحليل الكهربائي ، وذلك بتكوين خلية الكتروليتية يكون فيها النحاس المراد تنقيته هو الأنود ، بينما الكاثود عبارة عن سلك من النحاس النقي ،والالكتروليت كبريتات النحاس ( CuSO₄ ) II الذي يتفكك في المحلول كما يلي  :

وعند مرور التيار الكهربائي المستمر في المحلول ، يحدث ما يلي  :

أ - عند الانود :
توجد الأنواع التالية H₂O ، SO₄2- a ، قطب من النحاس غير النقي( يحتوي قطب النحاس غير النقي على شوائب مختلفة بعضها أنشط منه من مثل فلزات Zn، Fe والتي تتأكسد إلى كاتيونات Zn²⁺ ، Fe²⁺  تظل ذائبة في المحلول ، وبعضها أقل منه نشاطا من مثل فلزات الفضة والبلاتين والذهب ، والتي تسقط من القطب نتيجة تآكله على صورة ذرات في قاع خلية التحليل) وحيث أن جهد الاختزال القطبي للنحاس أقل منه للماء والكبريتات ، لهذا تتأكسد ذرات النحاس من القطب غير النقي وتتحول إلى كاتيونات تذوب في المحلول ، كما يلي :

 

ب - عند الكاثود :
توجد الأنواع التالية H₂O ،Cu²⁺ ، وحيث أن جهد الاختزال للماء عند الكاثود =  -0.41V ، بينما جهد اختزال النحاس = + 0.34 V ، و كاتيونات الفلزات الأكثر نشاطا من النحاس لهذا تختزل كاتيونات النحاس إلى ذرات نحاس تترسب على الكاثود .

 

ونتيجة تنقية النحاس بالتحليل الكهربائي هي :
انتقال النحاس من الانود وترسبه على الكاثود ، كما يلي :

 

بينما تتحول شوائب الخارصين والحديد الموجودة في القطب إلى كاتيونات Zn²⁺ ، Fe²⁺ تذوب في المحلول ، أما شوائب الفضة ( Ag ) ، البلاتين ( Pt ) ، الذهب  Au )  )فتسقط على شكل ذرات في قاع خلية التحليل ، حيث تُجْمَعْ وتباع فتغطي نفقات تنقية النحاس كهربائيا، وتصل درجة نقاوة النحاس إلى 99.95 % .

 هنا فلاش يعرض عملية التنقية

3- الطلاء الكهربائي

يعد طلاء الفلزات أحد أهم تطبيقات الخلايا التحليلية، حيث بالإمكان تحقيق الحلم المستحيل لقدماء الكيميائيين –بتحويل المعادن الرخيصة إلى معادن ثمينة – بصورة تقريبية من خلال تطبيق يعتمد على مفهوم الخلية التحليلية.
وتعتمد الفكرة على إمكانية ترسيب مادة فلزية على أخرى باستخدام التيار الكهربائي في خلية مناسبة لذلك، باستخدام مفهوم الخلايا التحليلية، ولأن العملية لا تتجاوز الغطاء الظاهري للفلز المطلي سمي ذلك العمل طلاءاً فلزياً، كما يسمى أحياناً بـتلبيس المعادن، ولاعتماد الفكرة على إحداث الطلاء بواسطة التيار الكهربائي فإنه يسمى أحياناً الطلاء بالكهرباء.
فوائد الطلاء الفلزي:
من أهم فوائد الطلاء الفلزي ما يلي:

أ) الطلاء لأغراض تجميل مظهر الادوات المعدنية:
نتعامل كثيراً مع مواد وأدوات معدنية كثيرة يظهر لنا أن مادة صنعها تبدو زاهية وأنيقة، إلا أن الحال ليس دائماً بهذه الصورة، إذ أن استخدام المواد ذات المظهر الأنيق في صناعة الأدوات المختلفة باهظ التكاليف، ويمكن التأكد من ذلك بمقارنة تكلفة (ثمن) مادة مصنوعة من الحديد، بمادة مماثلة مصنوعة من الفضة أو الذهب.
لقد بذل الكيميائيون محاولات كبيرة مستمرة لمحاولة الاستفادة من المظهر الجميل لبعض المواد والصفات الأخرى للمواد الأقل ثمناً للحصول على صفات متعددة مرغوبة لا يمنع شكلها الظاهري من استخدامها أو المحافظة عليها، ومن ذلك طلاء بعض الفلزات الرخيصة كالنحاس والحديد بمعادن جميلة كالذهب والفضة والكروم خاصة في أدوات و إكسسوارات الزينة.

ب) الطلاء لأغراض وقاية المواد من التآكل:
تتعرض الفلزات عامة خلال تعرضها للهواء الجوي والرطوبة لبعض التفاعلات التي تحدث تغييراً غير مرغوب فيه غالباً نتيجة تحول الفلز إلى أكاسيده التي تولد ما يعرف بـ: تآكل المعادن، وقد لاحظ الكيميائيون من خلال التجربة أن طلاء الفلز بمعدن أكثر نشاطاً من الفلز المرغوب وقايته، وأشهر الأمثلة على ذلك ما يعرف بـ: جلفنة الأنابيب المعدنية المستخدمة في نقل المياه داخل المباني، حيث يطلى الحديد بمعدن الخارصين أوالنيكل مما يسهم في إطالة عمر الأنابيب المصنوعة منه وتحملها لعمليات التآكل التي تحدث خلال مدة وجيزة بدون تلك التقنية.

فمثلا عند طلاء ملعقة من الحديد بطبقة من الفضة يجب أولا تنظيف الملعقة جيدا وتوصيلها بالقطب السالب لبطارية أو مصدر للتيار الكهربائي المستمر وتغمس في محلول يحتوي على أيونات الفضة ، ثم توصيل قطب من الفضة النقية بالقطب الموجب للبطارية ويغمس أيضا في المحلول .

وعند إمرار التيار الكهربائي يتم اختزال أيونات الفضة التي تتحول إلى ذرات فضة تترسب على سطح الملعقة ،وهنا لا يحدث أي تغير في تركيز المحلول بعد الانتهاء من عملية الطلاء .