การแยกตัวด้วยไฟฟ้า: พื้นฐานทางทฤษฎีของเคมีไฟฟ้า

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

การแยกตัวด้วยไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในชีวิตของเรา แม้ว่าโดยปกติเราจะไม่ได้คิดถึงเรื่องนี้ก็ตาม จากปรากฏการณ์นี้เองที่ค่าการนำไฟฟ้าของเกลือ กรด และเบสในตัวกลางที่เป็นของเหลวสัมพันธ์กัน ตั้งแต่การเต้นของหัวใจครั้งแรกที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า "ที่มีชีวิต" ในร่างกายมนุษย์ซึ่งเป็นของเหลวร้อยละ 80 ไปจนถึงรถยนต์ โทรศัพท์มือถือ และเครื่องเล่น ซึ่งแบตเตอรี่ส่วนใหญ่เป็นแบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมี การแยกตัวทางไฟฟ้าจะปรากฎอยู่ทุกที่ใกล้ๆ เราอย่างมองไม่เห็น

ในถังขนาดใหญ่ที่ปล่อยควันพิษจากบอกไซต์หลอมที่อุณหภูมิสูง โลหะ "ปีก" - อะลูมิเนียมได้มาจากอิเล็กโทรลิซิส ทุกสิ่งรอบตัวเรา ตั้งแต่กระจังหน้าโครเมียมไปจนถึงต่างหูชุบเงินในหูของเราสักครั้งหรือต้องเผชิญกับสารละลายหรือเกลือหลอมเหลวและด้วยเหตุนี้ด้วยปรากฏการณ์นี้ ไม่ใช่เรื่องบังเอิญเลยที่วิทยาศาสตร์ทั้งสาขาจะศึกษาการแยกตัวทางไฟฟ้า - เคมีไฟฟ้า

เมื่อละลาย โมเลกุลของของเหลวตัวทำละลายจะเข้าสู่พันธะเคมีกับโมเลกุลของสารที่ละลายแล้วก่อตัวเป็นโซลเวต ในสารละลายที่เป็นน้ำ เกลือ กรดและเบสมีความอ่อนไหวต่อการแตกตัวมากที่สุด ผลของกระบวนการนี้ โมเลกุลของตัวถูกละลายสามารถสลายตัวเป็นไอออนได้ ตัวอย่างเช่น ภายใต้อิทธิพลของตัวทำละลายที่เป็นน้ำ ไอออน Na⁺ และ CI^{- ในผลึกไอออนิก NaCl ผ่านเข้าไปในตัวกลางของตัวทำละลายใน คุณภาพใหม่ของอนุภาคที่ถูกละลาย (ไฮเดรท)}

ปรากฏการณ์นี้ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วกระบวนการสลายตัวของสารที่ละลายแล้วทั้งหมดหรือบางส่วนเป็นไอออนอันเป็นผลมาจากการกระทำของตัวทำละลาย เรียกว่า "การแยกตัวด้วยไฟฟ้า" กระบวนการนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับไฟฟ้าเคมี สิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งคือความจริงที่ว่าการแยกตัวของระบบที่มีหลายองค์ประกอบที่ซับซ้อนนั้นมีลักษณะเฉพาะโดยการไหลแบบเป็นขั้นตอน จากปรากฏการณ์นี้ ทำให้จำนวนไอออนในสารละลายเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้แยกสารอิเล็กโทรไลต์ออกจากสารที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์

ในกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ไอออนจะมีทิศทางการเคลื่อนที่ที่ชัดเจน: อนุภาคที่มีประจุบวก (ไพเพอร์) - ไปยังอิเล็กโทรดที่มีประจุลบที่เรียกว่าแคโทด และไอออนบวก (แอนไอออน) - ไปยังแอโนด อิเล็กโทรดที่มีประจุตรงข้ามซึ่งจะถูกคายประจุ ไพเพอร์จะลดลงและแอนไอออนจะถูกออกซิไดซ์ดังนั้นการแยกตัวจึงเป็นกระบวนการที่ย้อนกลับได้

ลักษณะพื้นฐานของกระบวนการไฟฟ้าเคมีอย่างหนึ่งคือระดับของการแยกตัวด้วยไฟฟ้า ซึ่งแสดงเป็นอัตราส่วนของจำนวนอนุภาคไฮเดรตต่อจำนวนโมเลกุลทั้งหมดของสารที่ละลายในน้ำ ยิ่งตัวบ่งชี้นี้สูง อิเล็กโทรไลต์ก็จะยิ่งมีความเข้มข้นมากขึ้นเท่านั้น บนพื้นฐานนี้ สารทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่อ่อนแรง แรงปานกลาง และอิเล็กโทรไลต์ที่แรง

ระดับของการแยกตัวขึ้นอยู่กับปัจจัยต่อไปนี้: ก) ธรรมชาติของตัวถูกละลาย; b) ลักษณะของตัวทำละลาย ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและขั้วของมัน c) ความเข้มข้นของสารละลาย (ยิ่งตัวบ่งชี้นี้ต่ำกว่าระดับความแตกแยกยิ่งมากขึ้น); d) อุณหภูมิของตัวกลางละลาย ตัวอย่างเช่น การแยกตัวของกรดอะซิติกสามารถแสดงได้โดยสูตรต่อไปนี้:

CH₃COOH H⁺ + CH₃COO^-

อิเล็กโทรไลต์ที่แรงจะแยกตัวออกจากกันโดยแทบไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากสารละลายในน้ำไม่มีโมเลกุลดั้งเดิมและไอออนที่ไม่ได้รับความชุ่มชื้น นอกจากนี้ยังควรเสริมด้วยว่าสารทั้งหมดที่มีพันธะเคมีชนิดขั้วไอออนิกและโควาเลนต์อยู่ภายใต้กระบวนการแยกตัว ทฤษฎีการแยกตัวด้วยไฟฟ้าถูกกำหนดโดย Svante Arrhenius นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวสวีเดนที่โดดเด่นในปี 1887