مفهوم تحليل الماء كهربائياً
يُمكن تعريف تحليل الماء كهربائيًّا على أنّها العمليّة التي تُجرى من أجل تقسيم الماء ( H 2 O ) وفصل مكوناته إلى غاز هيدروجين ( H 2) وأكسجين (O) منفصلين تمامًا من خلال تطبيق الطاقة الكهربائيّة، وتزداد الطاقة الكليّة اللازمة لتحليل الماء كهربائيّا بازدياد درجة الحرارة، وتعود الحاجة إلى مثل تلك العمليّة بسبب زيادة كلفة الوقود الأُحفوري وقلّة توفره، وبالتالي الحاجة لغاز الهيدروجين كمصدر مثالي للطاقة، ولا يلوّث الهواء عند احتراقه.
طريقة تحليل الماء كهربائياً
يتكون المُحلّل الكهربائي عادةً من أنود وكاثود يفصل بينهما إلكتروليت، وتختلف طريقة عمل تلك الأجهزة باختلاف نوع مادة الإلكتروليت المُستخدمة، وتُستخدم طريقة المحلل الكهربائي بغشاء البوليمر لتحليل الماء (PEM)، ويكون المحلول الكهربائي مادة بلاستيكية صلبة مُختصّة بذلك، وتتم طريقة التحليل إلكترونيًّا عبر الخطوات التاليّة:
- يتفاعل الماء المُراد تحليله عند الأنود من أجل تكوين كُلًّا من الأكسجين وأيونات الهيدروجين موجبة الشحنة المعروفة باسم البروتونات.
- تتدفق الإلكترونات من خلال دائرة خارجيّة، ثم تتحرّك أيونات الهيدروجين بصورة انتقائيّة عبر الكاثود في البوليمر (PEM).
- تتحد أيونات الهيدروجين مع الإلكترونات من الدائرة الخارجيّة عند الكاثود من أجل تكوين غاز الهيدروجين.
- يتفاعل الأنود ضمن المعادلة التاليّة: 2 H 2 O → O 2 4H 4e
- يتفاعل الكاثود ضمن المعادلة التاليّة: 4H 4e → 2H 2
العوامل المؤثرة في كفاءة التحليل الكهربائي
تعتمد كفاءة التحليل الكهربائي على العديد من العوامل، ومنها ما يلي:
- عدد الأنيونات والكاتيونات المتوفرة في المحلول.
- طاقة التنشيط اللازمة لنقل الإلكترون من القطب إلى الأيونات.
- مُعدّل حركة الأيونات للوصول إلى القطب.
- تأثير الغاز المحيط بالإلكترود على الناقل الكهربائي الإضافي.
معادلة التحليل الكهربائي للماء
تتم عمليّة التحليل الكهربائي للماء كيميائيًّا ضمن معادلة كيميائيّة توضّح ذلك، وهي كما يلي:
2H2O(l)⟶2H2(g) O2(g)
بحيث ينفصل الهيدروجين ( H2 ) عن الأكسجين ( O ) في هذه المعادلة، ليتواجد كل منهما منفصلًا عن الآخر كما هو موضّّح ضمن المعادلة.
استخدامات التحليل الكهربائي
تتعدد استخدامات التحليل الكهربائي، وفيما يلي أشهرها:
- تنقية المعادن في المجال الصناعي، ومنها: البوتاسيوم والمغنيسيوم والليثيوم والصوديوم والألومنيوم.
- إنتاج الكلور وكلورات الصوديوم وهيدروكسيد الصوديوم وكلورات البوتاسيوم.
- صناعة الطاقة؛ إذّ يُستخدم الهيدروجين لصنع وإنتاج الوقود.
- صناعة الطيران؛ يُستخدم في إنتاج الأكسجين للمركبات الفضائية.
- عزل الأكسجين للغواصات باستخدام عمليّة التحليل الكهربائي.
- طلاء بعض المعادن كهربائيًّا على الأسطح المختلفة والآلات الكهروكيميائيّة، أو للحفر على الأسطح وتنظيفها.
الملخص
يُعرّف تحليل الماء كهربائيًا بأنّه العملية التي يمكن من خلالها تقسيم الماء وفصل مكوناته إلى أكسجين وهيدروجين وذلك بالاستعانة ب الطاقة الكهربائية ، وذلك بسبب قلة توفّر الوقود الأحفوري وزيادة كلفته، ممّا أوجد الحاجة إلى مصدر آخر للطاقة وفي ذات الوقت يحافظ على الهواء نقيًا عند احتراقه، وتوجد عدّة عوامل تؤثّر في كفاءة التحليل الكهربائي، ومن الجدير بالذكر أنّ التحليل الكهربائي يُستخدم لتنقية المعادن، وصناعة الطاقة، وصناعة الطيران، وإنتاج الكلور وغيرها من الأغراض.
