الکترولیز یک فرآیند اساسی در الکتروشیمی است که در آن انرژی الکتریکی برای هدایت یک واکنش شیمیایی غیر خود به خودی استفاده می شود. این فرآیند شامل استفاده از یک الکترولیت است - ماده ای که حاوی یون های آزاد است و می تواند توسط الکتریسیته تجزیه شود. الکترولیز کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف از تولید فلزات و گازها گرفته تا تصفیه فاضلاب دارد.
استخراج فلزات از سنگ معدن آنها و پالایش فلزات ناخالص از کاربردهای مهم الکترولیز است. در الکترولیز، جریان مستقیم (DC) از یک الکترولیت عبور می کند و باعث می شود یون ها به سمت الکترودها حرکت کنند و تحت واکنش های کاهش یا اکسیداسیون قرار گیرند.
به عنوان مثال، در استخراج آلومینیوم از سنگ معدن بوکسیت، ابتدا سنگ معدن به اکسید آلومینیوم ( \(Al_{2}O_{3}\) ) تبدیل می شود. سپس اکسید آلومینیوم در کریولیت مذاب حل می‌شود ( \(Na_{3}AlF_{6}\) ، که نقطه ذوب مخلوط را کاهش می‌دهد و رسانایی آن را افزایش می‌دهد. سلول الکترولیتی متشکل از الکترودهای کربن است که در آن آلومینیوم در کاتد احیا می شود و فلز آلومینیوم خالص را تشکیل می دهد و اکسیژن در آند تولید می شود.
آبکاری فرآیندی است که در آن یک لایه نازک فلز بر روی سطح یک ماده رسوب می کند. این روش به طور گسترده برای اهداف تزئینی، محافظت در برابر خوردگی و بهبود خواص سطحی اشیا استفاده می شود. جسمی که قرار است آبکاری شود به عنوان کاتد عمل می کند و فلزی که قرار است رسوب داده شود به عنوان آند استفاده می شود. محلول الکترولیت حاوی یون های فلزی است که قرار است آبکاری شود. هنگامی که الکتریسیته اعمال می شود، یون های فلزی از محلول کاهش می یابد و بر روی سطح کاتد رسوب می کند و یک پوشش فلزی نازک را تشکیل می دهد.
از الکترولیز در تولید گازهایی مانند هیدروژن و اکسیژن نیز استفاده می شود. هنگامی که آب ( \(H_{2}O\) ) در معرض الکترولیز قرار می گیرد، در کاتد به گاز هیدروژن ( \(H_{2}\) ) و گاز اکسیژن ( \(O_{2}\) ) در کاتد تجزیه می شود. آند این فرآیند را می توان با معادله نشان داد:
\(2H_{2}O(l) \rightarrow 2H_{2}(g) + O_{2}(g)\)این روش به ویژه برای تولید هیدروژن با خلوص بالا برای مصارف صنعتی مانند صنایع نفت و شیمیایی اهمیت دارد.
از الکترولیز می توان در تصفیه فاضلاب برای حذف آلاینده ها استفاده کرد. این فرآیند که به عنوان انعقاد الکتریکی شناخته می شود، شامل عبور جریان الکتریکی از فاضلاب است که باعث انعقاد آلاینده ها و حذف بعدی آنها از آب می شود. روشی موثر برای تصفیه فاضلاب صنعتی و شهری است.
باتری ها انرژی الکتریکی را به شکل انرژی شیمیایی ذخیره می کنند که در صورت نیاز می تواند آزاد شود. فرآیند شارژ مجدد باتری شامل معکوس کردن واکنش های شیمیایی است که در طول استفاده از آن رخ می دهد که از طریق الکترولیز به دست می آید. به عنوان مثال، در باتری های سرب اسید، فرآیند شارژ مجدد سولفات سرب و آب را به دی اکسید سرب، سرب و اسید سولفوریک تبدیل می کند و ترکیب اولیه باتری و توانایی آن در تولید الکتریسیته را بازیابی می کند.
از الکترولیز در سنتز ترکیبات شیمیایی مختلف استفاده می شود. یک مثال قابل توجه فرآیند کلرآلکالی است که در آن آب نمک (محلول کلرید سدیم) برای تولید گاز کلر، هیدروکسید سدیم و گاز هیدروژن الکترولیز می شود. این فرآیند برای تولید این مواد شیمیایی که کاربردهای متعددی در صنایعی مانند نساجی، کاغذسازی و تولید مواد شوینده دارد، حیاتی است.
\(2NaCl(aq) + 2H_{2}O(l) \rightarrow Cl_{2}(g) + H_{2}(g) + 2NaOH(aq)\)الکترولیز یک فرآیند همه کاره با کاربردهای گسترده در استخراج فلزات، آبکاری الکتریکی، تولید گازها، تصفیه فاضلاب، شارژ مجدد باتری و سنتز شیمیایی است. توانایی آن در هدایت واکنش های شیمیایی غیر خود به خودی با استفاده از انرژی الکتریکی، آن را هم در فرآیندهای صنعتی و هم در تحقیقات علمی ارزشمند می کند. درک اصول و کاربردهای الکترولیز به نوآوری در انرژی، علم مواد و حفاظت از محیط زیست کمک می کند.
