אלקטרוליזה

אלקטרוליזה (מיוונית: אלקטרו = חשמל, ליזיס = פירוק) היא שיטה של פירוק תרכובת יונית ליסודותיה בעזרת זרם חשמלי. אלקטרוליזה היא תהליך אנדותרמי, כלומר, לביצוע התהליך יש צורך באספקת אנרגיה למערכת, על ידי זרם חשמלי. בכימיה וסוגי ייצור, אלקטרוליזה היא שיטה, תהליך כימי שעובר בחומר יוני או בתמיסה מימית, של פירוק קשרים בין חומרים מולקולריים ותרכובות שונות ליסודותיהם הנפרדים. התהליך מתבצע על ידי העברת זרם חשמלי בתוך מערכת נוזלים סגורה והרמטית, ובכך מפרק את הקשר. היונים עוברים תהליכי חמצון-חיזור בהתאם למטענם: היון החיובי – עובר חיזור בקתודה היון השלילי – עובר חמצון באנודה אלקטרוליזה משמשת גם לציפוי מטבעות בנחושת על ידי התרכובת נחושת כלורית. התופעה המתרחשת באלקטרוליזה היא שינוי הרכב המולקולות והיונים בתמיסה הנובע מהוספה או החסרה של אלקטרונים. שינוי כמות האלקטרונים מתבצע על ידי זרם חשמלי חיצוני. לעיתים רבות תוצרי האלקטרוליזה הם בעלי תכונות פיזיקליות שונות מאשר המגיבים וניתנים להפרדה מהתמיסה המימית. הסיבה לכך היא כי היונים מטבעם הם מסיסים במים בעוד שהתוצרים של האלקטרוליזה יכולים להיות גזים ומתכות, אשר אינם מסיסים במים. דוגמה לתהליך אלקטרוליזה של מי מלח (תמיסה מימית של כלוריד הנתרן) ליצירת כלור ומימן, שני התוצרים הם גזים ובמהלך האלקטרוליזה ייווצרו ויבעבעו החוצה מהנוזל בקרבת האלקטרודות. 2 NaCl + 2 H 2 O ⟶ 2 NaOH + H 2 + Cl 2 {\displaystyle {\ce {2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + H2 + Cl2}}} כאשר יוצרים מפל מתחים במערכת על ידי מקור מתח מתחילה תנועה של אלקטרונים בין שתי האלקטרודות. בגלל הפיזור הלא אחיד של האלקטרונים בין שתי האלקטרודות הן טעונות במטען הפוך. יונים טעונים חיובים (קטיונים) נמשכים לאלקטרודה רווית האלקטרונים (הקתודה). יונים טעונים שלילית (אניונים) נמשכים לאלקטרודה חסרת האלקטרונים (אנודה). כאשר נוצר מגע בין האלקטרודה לאלקטרוליט יכולה להיווצר תגובה כימית. צורונים לא טעונים יכולים לספוח או להינתק מאלקטרון, להפוך ליון ולהצטרף לתמיסת האלקטרוליט כיון. לחלופין אניון יכול למסור אלקטרון וקטיון יכול לספח אליו אלקטרון ובאופן זה הם יהיו בעלי מטען נייטרלי. חמצון של יונים או מולקולות נייטרליות מתבצע על גבי האנודה. למשל, תהליך חמצון של יוני קט-ברזל אל יוני רב-ברזל על גבי האנודה: Fe 2 + ( aq ) ⟶ Fe 3 + ( aq ) + e − {\displaystyle {\ce {Fe^{2+}(aq) -> Fe^{3+}(aq) + e^-}}} באותו אופן תהליך החיזור מתרחש בקתודה. כמו למשל יוני נחושת, אשר סופחים אליהם שני אלקטרונים והופכים לנחושת מוצקה. Cu 2 + ( aq ) + 2 e − ⟶ Cu ( s ) {\displaystyle {\ce {Cu^{2+}(aq) + 2e^- -> Cu(s)}}} כמות החומרים שהופרדו כתוצאה מהעברת המתח החשמלי בתמיסה פרופורציונלי לכמות המטען החשמלי שעבר דרך המעגל החשמלי. m = k ⋅ q {\displaystyle m=k\cdot q} או m = e ⋅ Q {\displaystyle m=e\cdot Q} כאשר e הוא האקוויוולנט האלקטרוכימי של המתכת שעוברת שיקוע בתגובה או לחלופין הגז שמשוחרר באחת האלקטרודות. כאשר זרם זהה עובר דרך סדרה של אלקטרוליטים מחוברים בטור, המסה של החומר העובר שיקוע או משתחרר כגז באלקטרודות נמצא ביחס ישר למסה האקוויוולנטית שלהם. על ידי הזרמת חשמל באופן מבוקר דרך אלקטרודות למים, ניתן לפרק את המים (שהרכבם הכימי הוא H2O) לשני היסודות מהם המים מורכבים, חמצן ומימן (הוספת מלח למים תזרז את התהליך מפני שהוספת המלח תגרום לשיפור ההולכה). בסוף התהליך (פירוק כימי) ייווצרו מימן וחמצן ביחס (נפחי) של 1:2. כלומר, תיווצר כמות כפולה של מימן מכיוון שבכל מולקולת מים יש שני אטומים של מימן על כל אחד של חמצן. 2 H 2 O ( l ) ⟶ 2 H 2 ( g ) + O 2 ( g ) E 0 = + 1229 m V {\displaystyle {\ce {2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}}\qquad E0=+1229\,\mathrm {mV} } שימוש אחד לאלקטרוליזה הוא אלגון (ציפוי), תהליך בו חומר מצפה עובר חיזור על גבי קתודה המכילה חומר שעובר תהליך ציפוי. תהליך בו הופכת עפרת האלומיניום לאלומיניום (הומצא על ידי צ'ארלס מרטין הול בשנת 1886). ייצור כלור ונתרן הידרוקסידי בתהליך כלור-אלקלי אלקטרוסינתזה היא שיטה לייצור חומרים דרך תגובות אלקטרוליזה. כך למשל דו-תחמוצת המנגן MnO 2 {\displaystyle {\ce {{MnO2}}}} (אשר משתמשים בה בסוללת אלקליין). התגובה מתבצעת על ידי כאשר דו-תחמוצת המנגן נוצר בתהליך חמצון של יון מנגן על גבי האנודה. תגובת החמצון על האנודה היא: Mn 2 + ( aq ) + 2 H 2 O ( l ) ⟶ Mn 2 O ( s ) + 4 H + ( aq ) {\displaystyle {\ce {Mn^+2(aq) + 2H2O(l) -> Mn2O(s) + 4H^+(aq)}}} תגובת החיזור המתבצעת על הקתודה היא חיזור של יוני מימן למימן מולקולרי: Mn + 2 ( aq ) + 2 H 2 O ( l ) ⟶ MnO 2 ( s ) + 2 H + ( aq ) + H 2 ( g ) {\displaystyle {\ce {Mn^{+2}(aq) + 2H2O(l) -> MnO2(s) + 2H+(aq) + H2(g)}}} ציפוי אלקטרוכימי הוא שיטת ציפוי בה מצפים מתכת (ולעיתים פולימר) בשכבה עוטפת של מתכת אחרת. בתהליכים אלה המתכת העוברת ציפוי משמשת כאנודה בתא אלקטרוכימי ויוני המתכת בתמיסה עוברים חמצון על גביה. תהליכי ציפוי כאלה לרוב מיושמים מטעמים אסתטיים כמו צפוי של כלי ברזל בכסף או ציפוי פלדה בשכבת מגן העשויה מכרום כדי למנוע קורוזיה שכן הוא פחות ריאקטיבי עם מים. תערובת חמצן-מימן אלקטרוליזה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) אלקטרוליזה, דף שער בספרייה הלאומית