تجربة تأثير تركيز المحلول على سرعة التحليل الكهربي

في هذه التجربة ستتم دراسة تأثير تركيز محلول الالكتروليت على سرعة حدوث التحليل الكهربي من خلال استخدام خلية كيميائية كهربية بهدف التوصل إلى العلاقة بين تركيز المحلول وسرعة التحليل الكهربي.

عمل: ثريا صبري وسارة الشامخ

ما هي العلاقة بين تركيز محلول الالكتروليت و سرعة حدوث التحليل الكهربي؟

كلما زاد تركيز المحلول المائي المستخدم في عملية التحليل الكهربي؛ فإنَّ كمية غاز الهيدروجين الصاعدة في الخلية سيزداد، مما يدُل على زيادة سُرعة التحليل الكهربي.

المتغير المستقل: تركيز المحلول المائي

المتغير التابع: كمية غاز الهيدروجين الصاعدة

المتغير الضابط: الزمن، حجم الماء (المذيب)، نوع الإلكتروليت (KOH)، درجة حرارة المحلول (درجة حرارة الغرفة)، تركيب خلية التحليل الكهربي (فرق جهد البطارية)

التحليل الكهربي، العملية المُكتشفة من قِبل الفيزيائي ألساندرو فولتا عام 1800م، تقنيةٌ شائعة الاستخدام مبنيةٌ على عمليتي الأكسدة والاختزال. تتم هذه العملية، كما وصف تنمار (2017)، بواسطة استخدام خلية كهربائية ذات قطبين، أحدهما سالب ويسمى المهبط (كاثود)، والآخر موجب ويسمى المصعد (أنود)، ويتم فصلهما عن بعض بمحلولٍ غني بالأيونات يُسمى الإلكتروليت. وعند مرور التيار في الخلية تنتقل الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب وعبر المحلول الذي ينغمر فيه كِلا القطبين؛ فتنجذب أيونات المحلول السالبة إلى المصعد والأيونات الموجبة نحو المهبط. عند المصعد، تتأكسد الأيونات السالبة وتتعادل شحنتها. أما في عند المهبط، فتختزل الأيونات الموجبة وتتعادل شحنتها كذلك.

عند تحليل الماء كهربيًا، تنجذب أيونات الهيدروكسيد السالبة نحو المصعد، حيث تخسر إلكترونات وتتأكسد منتجةً غاز الأكسجين الصاعد، جزيئات ماء، وإلكترونات حُرة تسري في الخلية متجمعةً عند المهبط. أما أيونات الهيدروجين الموجبة تنجذب نحو المهبط، حيثُ تكتسب إلكترونات وتُختزل منتجةً غاز الهيدروجين المتصاعد. وتظهر هذه التفاعلات بالمعادلات الآتية

ولهذه العملية أهمية كبيرة تظهر في الاستخدامات والتطبيقات المتعددة التي تعتمد عليها. فيُستخدم التحليل الكهربي لاستخراج المعادن مثلاً، فيتم استخدام التحليل الكهربي لتنقية المعادن في صورتها الخام من الشوائب. بالإضافة إلى استخدام هذه العملية لتصنيع المواد الكيميائية المختلفة مثل برمنغنات البوتاسيوم، وهيدروكسيد الصوديوم، وغيرها من المواد التي يستخدمها الإنسان في حياته اليومية. غير ذلك، تستخدم في الطلاء الكهربائي، حيثُ يتم وضع غطاء أو طبقة من المعادن النفيسة على المعادن الرخيصة لزيادة جمالها، رفع قيمتها الاقتصادية، ومنعها وحمايتها من التآكل. أخيرًا، يُستخدم التحليل الكهربي في عملية تحليل الماء لفصل الهيدروجين عن الأكسجين، وذلك لأهداف عدة مثل تنقية البترول ومعالجة المعادن وإنتاج الأسمدة ومعالجة الأطعمة كما أنصت إدارة معلومات الطاقة بالولايات المتحدة (2021).

• 16.8 جرام من هيدروكسيد البوتاسيوم
• 2.1 لتر من الماء المقطر
• خلية تحليل كهربي
• ماسك
• أنبوبي اختبار
• ساعة إيقاف
• ثلاثة كؤوس مخبرية
• مسطرة
• ميزان
• بطارية 9 فولت
• عصا زجاجية

:أ. تحضير المحلول

1. ملء الكأس المدرج بمئتيّ ميليلتر من الماء المقطر.

2. وزن (2.8 g) من KOH.

3. أذب كمية الـ KOH المُعدة في الكأس المُدرج، مستعينًا بالعصا الزُجاجية.

4. تخفيف المحلول عن طريق إضافة 500 mL من الماء المُقطر.

5. إعادة الخطوات السابقة بكميات (5.6 g) و (8.4 g) من KOH

ب. إجراء عملية التحليل الكهربي:

1. سكب المحلول الأول في وعاء خلية التحليل الكهربي

2. استخدام الماسك لملء الأنابيب المخبرية بالمحلول، وتثبيتها في الخلية بحيث تكون أطراف أسلاك الخلية مغمورةً في المحلول.

3. قياس ارتفاع المحلول في الأنبوب الت بالمسطرة مع تسجيل القراءة.

4. توصيل البطارية بأقطاب خلية التحليل الكهربي مع بدء حساب الوقت بساعة الإيقاف.

5. قياس ارتفاع المحلول في الأنبوب المتصل بالقطب السالب بالمسطرة، بعد مرور عشر دقائق مع تسجيل القراءة.

6. إعادة الخطوات السابقة للمحلولين الآخرين.

تُظهر نتائج التجربة اختلاف واضح في معدلات حدوث التحليل الكهربي للمحاليل الثلاث. ففي التجربة تمَّ الاعتماد على كمية الهيدروجين المنبعثة في الأنابيب كدليل لمدى سرعة عملية التحليل الكهربي في الخلية. وبالفعل، تُظهر المحاليل الثلاثة نتائج شديدة الاختلاف، فالمحلول الأول كان ذو مقدار انخفاض (0.25 cm) مقارنةً بالمحلول الثاني ذو مقادر انخفاض (0.9 cm)، والمحلول الثالث ذو مقدار الانخفاض الأكبر وهو (1.3 cm).

يعود السبب وراء هذا التباين في البيانات إلى اختلا ف تراكيز المحاليل. حيثُ إنَّ هيدروكسيد البوتاسيوم قاعدة قوية تتأين كُليًا في الماء، فبزيادة تركيز هيدروكسيد البوتاسيوم في الماء؛ يزداد عدد الأيونات الحرة في المحلول. وفقًا ليوفراج وسانثاراج (2013)، تسبب زيادة عدد الأيونات في المحلول إلى زيادة التيار المار في خلية التحليل الكهربي، وتُصاحب زيادة التيار زيادة في معدل حدوث تفاعلات الأكسدة والاختزال عند قطبي الخلية. ذلك يفسر إنتاج المحلول الأعلى تركيزًا لأكبر كمية من غاز الهيدروجين، وإنتاج المحلول الأقل تركيزًا لأقل كمية من غاز الهيدروجين.

تدعم نتائج التجربة الفرضية، فكلما زاد تركيز المحلول المائي؛ زادت كمية غاز الهيدروجين المتصاعدة، وكانَ ذلك دليلاً على سرعة حدوث عملية التحليل الكهربي.

Hydrogen production: Electrolysis. (n.d.). Retrieved March 19, 2021, from https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-electrolysis

Sun, C., & Hsiau, S. (2018, June 30). Effect of electrolyte concentration difference on hydrogen production during pem electrolysis. Retrieved March 19, 2021, from https://www.jecst.org/journal/view.php?number=160

Tinmar. (2010, August 19). Electrolysis: The way of the future - Owlcation - education. Retrieved March 19, 2021, from https://owlcation.com/stem/Electrolysis-The-Way-of-the-Future#:~:text=History%20of%20Electrolysis,oxygen%20appeared%20at%20the%20electrodes.

U.S. energy Information administration - eia - independent statistics and analysis. (n.d.). Retrieved March 19, 2021, from https://www.eia.gov/energyexplained/hydrogen/use-of-hydrogen.php#:~:text=Nearly%20all%20of%20the%20hydrogen,the%20sulfur%20content%20of%20fuels.

Yuvaraj, A., & Santhanaraj, D. (2013, September 24). A systematic study on electrolytic production of hydrogen gas by using graphite as electrode. Retrieved March 19, 2021, from: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1516-14392014000100012&lng=en&tlng=en