کلر برای ساخت بسیاری از مواد شیمیایی و گندزدایی، و سدیم هیدروکسید برای تولید کاغذ، شوینده و مواد صنعتی اهمیت دارد. این دو ماده همراه هیدروژن از برقکافت محلول غلیظ سدیم کلرید، یا آبنمک، به دست میآیند. نام «کلرآلکالی» نیز به تولید همزمان کلر و یک ماده قلیایی اشاره دارد. نکته اصلی این فرایند فقط نوشتن یک معادله نیست: آب و یون کلرید در دو الکترود رفتار متفاوتی دارند و یک غشای انتخابگر باید فرآوردهها را از هم دور نگه دارد. در این مقاله با تکیه بر اکسایشـکاهش و استوکیومتری شیمی دبیرستان، اجزای سلول غشایی، نیمواکنشها، نقش غشا و محاسبات مقدار فرآورده را بررسی میکنیم.
آبنمک مواد اولیه و یونهای متحرک سلول را فراهم میکند
سدیم کلرید در آب به یونهای Na⁺ و Cl⁻ تفکیک میشود. در سلول برقکافتی، منبع جریان مستقیم انرژی الکتریکی لازم را فراهم میکند تا واکنشی که خودبهخود پیش نمیرود انجام شود. آند به قطب مثبت و کاتد به قطب منفی منبع وصل است؛ آنیونها به سوی آند و کاتیونها به سوی کاتد حرکت میکنند.
محلول ورودی باید آبنمک نسبتاً غلیظ و تصفیهشده باشد. یونهایی مانند Ca²⁺ و Mg²⁺ میتوانند رسوب بسازند یا عملکرد غشا و الکترودها را مختل کنند، پس پیش از برقکافت تا حد زیادی حذف میشوند. در مدل دبیرستانی، گونههای اصلی را Na⁺، Cl⁻ و H₂O در نظر میگیریم و از همین گونهها فرآوردههای هر الکترود را پیشبینی میکنیم.
- NaCl(aq) به Na⁺ و Cl⁻ تفکیک میشود
- منبع جریان مستقیم واکنش غیرخودبهخودی را پیش میبرد
- آند در سلول برقکافتی مثبت و کاتد منفی است
- تصفیه آبنمک از رسوب و آسیب به تجهیزات جلوگیری میکند
در آند، یون کلرید اکسید و گاز کلر تولید میشود
اکسایش همیشه در آند رخ میدهد. یون کلرید الکترون از دست میدهد و مولکول کلر میسازد: 2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻. عدد اکسایش کلر از ۱− در کلرید به صفر در Cl₂ میرسد، پس افزایش عدد اکسایش نیز وقوع اکسایش را تأیید میکند.
در محلول آبی امکان اکسایش آب و تشکیل اکسیژن هم مطرح است، اما غلظت زیاد کلرید و انتخاب جنس الکترود و شرایط عملیاتی، تولید کلر را تقویت میکند. این نکته نشان میدهد پیشبینی فرآورده برقکافت محلول آبی فقط با نگاهکردن به علامت بار یونها کامل نیست؛ غلظت، جنس الکترود و اضافهولتاژ نیز بر فرآورده واقعی اثر دارند. در سطح مسئلههای این مقاله، نیمواکنش اصلی آند همان تولید Cl₂ است.
- آند محل اکسایش است
- هر دو مول Cl⁻ یک مول Cl₂ و دو مول الکترون میسازد
- کلر در Cl₂ عدد اکسایش صفر دارد
- شرایط سلول به گزینش فرآورده آند کمک میکند
در کاتد، آب کاهش مییابد و هیدروژن و یون هیدروکسید میسازد
در کاتد کاهش انجام میشود. در محلول آبی، به جای تبدیل Na⁺ به فلز سدیم، مولکولهای آب الکترون میگیرند: 2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq). تولید حباب هیدروژن و افزایش غلظت OH⁻ در بخش کاتدی نتیجه همین نیمواکنش است.
سدیم فلزی در آب پایدار نیست و کاهش Na⁺ در این محیط بسیار دشوارتر از کاهش آب است. بنابراین Na⁺ را نباید فرآورده کاتدی یا سدیم فلزی فرض کرد. یون Na⁺ که از غشا به بخش کاتدی میرسد، در محلول کنار OH⁻ قرار میگیرد و محلول سدیم هیدروکسید را میسازد؛ تشکیل NaOH در اینجا به معنی ساخت مولکولهای جدا و خنثی در آب نیست، زیرا این باز قوی به صورت یونهای آبپوشیده حضور دارد.
- کاتد محل کاهش است
- آب در کاتد به H₂ و OH⁻ تبدیل میشود
- در آبنمک، فلز سدیم تولید نمیشود
- NaOH(aq) شامل یونهای Na⁺ و OH⁻ آبپوشیده است
غشای انتخابگر مدار یونی را کامل و فرآوردهها را جدا میکند
سلول غشایی دو بخش آندی و کاتدی دارد. غشا به Na⁺ اجازه میدهد از بخش آندی به بخش کاتدی عبور کند، اما تا حد امکان جلوی عبور Cl⁻ و OH⁻ را میگیرد. این جابهجایی بار مثبت از انباشتهشدن بار در دو بخش جلوگیری میکند و در کنار مدار بیرونی، ادامه جریان را ممکن میسازد.
جداسازی برای خلوص و ایمنی ضروری است. اگر Cl₂ با OH⁻ تماس پیدا کند، واکنشهای جانبی رخ میدهند و کلر و بازِ تولیدشده مصرف میشوند. مخلوطشدن H₂ و Cl₂ نیز نامطلوب و خطرناک است. غشا خود الکترون را از میان محلول عبور نمیدهد؛ الکترونها در مدار بیرونی از سمت آند به سوی منبع و سپس کاتد جابهجا میشوند، در حالی که یونها رسانش درون سلول را بر عهده دارند.
- غشا عمدتاً عبور Na⁺ را ممکن میکند
- Cl₂ در بخش آندی و H₂ و NaOH در بخش کاتدی جمع میشوند
- جداسازی، واکنش جانبی و آلودگی فرآوردهها را کم میکند
- الکترون از سیم و یون از الکترولیت و غشا عبور میکند
جمع نیمواکنشها معادله کلی و نسبت فرآوردهها را میدهد
نیمواکنش آندی دو الکترون تولید و نیمواکنش کاتدی دو الکترون مصرف میکند؛ پس بدون تغییر ضریبها آنها را جمع میکنیم. پس از حذف الکترونها داریم: 2Cl⁻(aq) + 2H₂O(l) → Cl₂(g) + H₂(g) + 2OH⁻(aq). یون Na⁺ در واکنش خالص اکسایشـکاهش شرکت نمیکند، اما برای نمایش مواد صنعتی به دو سوی معادله افزوده میشود.
معادله مولکولی فرایند 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) → Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq) است. بنابراین به ازای مصرف دو مول NaCl، در حالت نظری یک مول Cl₂، یک مول H₂ و دو مول NaOH تولید میشود. برابر بودن مولهای Cl₂ و H₂ از برابری شمار الکترونهای مبادلهشده در دو الکترود نتیجه میشود، نه از برابر بودن جرم آن دو گاز.
- پیش از جمع، شمار الکترون دو نیمواکنش را برابر کن
- Na⁺ در معادله یونی خالص یون همراه است
- نسبت مولی NaCl:Cl₂:H₂:NaOH برابر ۲:۱:۱:۲ است
- نسبت مولی برابر به معنی جرم برابر نیست
سلول غشایی با برقکافت نمک مذاب تفاوت بنیادی دارد
اگر سدیم کلرید مذاب و بدون آب برقکافت شود، تنها کاتیون قابل کاهش Na⁺ است و در کاتد سدیم فلزی تشکیل میشود: Na⁺ + e⁻ → Na. اما در آبنمک، آب در رقابت کاتدی کاهش مییابد و H₂ تولید میکند. حضور یا نبود آب میتواند پاسخ یک سؤال برقکافت را کاملاً تغییر دهد.
پس نخستین گام تحلیل، تشخیص حالت ماده است: NaCl(l) نمک مذاب و NaCl(aq) محلول آبی است. در هر دو حالت از کلرید میتوان در آند کلر گرفت، اما فرآورده کاتدی یکسان نیست. این مقایسه همچنین توضیح میدهد چرا فلزهای بسیار فعال را نمیتوان با برقکافت محلول آبی نمک آنها تهیه کرد و باید از ترکیب یونی مذاب استفاده کرد.
مثال حلشده: جرم فرآوردهها را از مقدار نمک حساب کن
فرض کن ۱۱۷ گرم NaCl خالص در سلول واکنش دهد و تبدیل را کامل و بدون واکنش جانبی در نظر بگیریم. با جرم مولی تقریبی NaCl برابر ۵۸٫۵ g·mol⁻¹، مقدار نمک 117÷58.5 = 2.00 mol است. طبق معادله کلی، از دو مول NaCl یک مول Cl₂، یک مول H₂ و دو مول NaOH به دست میآید.
پس مقدارهای نظری برابر 1.00 mol کلر، 1.00 mol هیدروژن و 2.00 mol سدیم هیدروکسید هستند. با جرمهای مولی تقریبی 71، 2 و 40 g·mol⁻¹، جرمها بهترتیب ۷۱ گرم Cl₂، ۲ گرم H₂ و ۸۰ گرم NaOH میشوند. جمع جرم این فرآوردهها ۱۵۳ گرم است؛ این عدد از جرم NaCl بیشتر است چون ۳۶ گرم آب نیز مطابق معادله مصرف شده و پایستگی جرم برقرار مانده است.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: اگر ۰٫۵۰ مول Cl₂ تولید شود، در حالت نظری چند مول الکترون جابهجا و چند مول NaOH ساخته میشود؟ از نیمواکنش آند، هر مول Cl₂ با آزادشدن دو مول الکترون همراه است؛ پس ۱٫۰۰ مول الکترون جابهجا میشود. نسبت Cl₂ به NaOH در معادله کلی ۱ به ۲ است، بنابراین ۱٫۰۰ مول NaOH نیز تولید میشود.
برای حل سؤال ابتدا آند و کاتد را از نوع واکنش مشخص کن، سپس نیمواکنشها را بنویس و الکترونها را برابر کن. پس از جمع، نسبت مولی را از ضرایب بگیر. اگر صورت سؤال درباره محلول آبی است، سدیم فلزی را فرآورده فرض نکن؛ و اگر درباره نقش غشاست، هم کاملشدن مدار یونی و هم جلوگیری از اختلاط فرآوردهها را بیان کن. کلر، هیدروژن و سدیم هیدروکسید مواد خطرناکی هستند و این فرایند فقط در تجهیزات صنعتی کنترلشده انجام میشود.
- آند: تولید Cl₂ با اکسایش Cl⁻
- کاتد: تولید H₂ و OH⁻ با کاهش آب
- غشا عبور انتخابی یون و جداسازی فرآوردهها را ممکن میکند
- در آبنمک NaOH تولید میشود، نه سدیم فلزی
- ضرایب معادله کلی پایه همه تبدیلهای مولیاند
- آزمایش تولید کلر یا هیدروژن در محیط خانگی ایمن نیست
برای تحلیل فرایند کلرآلکالی، محیط آبی را از نمک مذاب جدا کن. در آبنمک، کلرید در آند اکسید میشود و Cl₂ میسازد؛ آب در کاتد کاهش مییابد و H₂ و OH⁻ تولید میکند؛ و Na⁺ با عبور از غشا در بخش کاتدی کنار OH⁻ قرار میگیرد. غشا هم مدار یونی را کامل میکند و هم تماس کلر با هیدروژن و باز را کاهش میدهد. از معادله 2NaCl + 2H₂O → Cl₂ + H₂ + 2NaOH نتیجه میگیریم نسبت مولی فرآوردهها ۱ مول کلر، ۱ مول هیدروژن و ۲ مول سدیم هیدروکسید است. در هر محاسبه، نیمواکنشها را از نظر بار و اتم موازنه کن، الکترونها را حذف کن و سپس ضرایب معادله کلی را بهعنوان پل تبدیل به کار ببر.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.