برقکافت آب و محلولها و استخراج منیزیم از آب دریا

بخش اول: برقکافت آب
آب خالص رسانایی الکتریکی بسیار ناچیزی دارد (زیرا غلظت یون‌های \(H^{+}\) و\( OH^{-} \)در آن تنها \(10^{-7} mol/L\) است).
بنابراین، برای انجام برقکافت آب، باید مقدار کمی از یک الکترولیت بی اثر (مانند سولفوریک اسید \(H_{2}SO_{4}\) یا سدیم سولفات (\(Na_{2}SO_{4}\) به آن افزود تا رسانایی جریان یابد. با این حال، در الکترودها، این مولکول‌های آب هستند که به دلیل پتانسیل مناسب‌تر، دچار اکسایش و کاهش می‌شوند.
1. واکنش‌های الکترودی در برقکافت آب
• آند (قطب مثبت) - محل اکسایش:
در آند، مولکول‌های آب الکترون از دست داده و به گاز اکسیژن و یون‌های هیدروژن تبدیل می‌شوند.\[2H_2O(l) \rightarrow O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-\](نکته تحلیلی: تولید یون\(H^{+}\)در اطراف آند، محیط را اسیدی می‌کند. اگر شناساگر تورنسل در محیط باشد، در اطراف آند به رنگ قرمز درمی‌آید و pH کاهش می‌یابد).
• کاتد (قطب منفی) - محل کاهش:
در کاتد، مولکول‌های آب الکترون می‌گیرند و به گاز هیدروژن و یون‌های هیدروکسید تبدیل می‌شوند.\[2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq)\](نکته تحلیلی: تولید یون \( OH^{-} \) در اطراف کاتد، محیط را بازی (قلیایی) می‌کند. شناساگر تورنسل در اطراف کاتد به رنگ آبی درمی‌آید و PH افزایش می‌یابد).

2. واکنش کلی برقکافت آب
برای به دست آوردن واکنش کلی، باید تعداد الکترون‌های مبادله شده برابر شود. نیم‌واکنش کاتد را در 2 ضرب کرده و با نیم‌واکنش آند جمع می‌کنیم:\[ [2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq)] \times 2 \]\[ 2H_2O(l) \rightarrow O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^- \]مجموع اولیه:\[ 6H_2O(l) \rightarrow 2H_2(g) + O_2(g) + 4H^+(aq) + 4OH^-(aq) \]با توجه به اینکه \(4H^{+}\) و \(4OH^{-}\) با هم واکنش داده و \(4H_{2}O\) می‌سازند، پس از ساده کردن آب‌ها از دو طرف، واکنش کلی و خالص به دست می‌آید:\[2H_{2}O(l) \to  2H_{2}(g) + O_{2}(g)\]نکات کنکوری و استوکیومتری برقکافت آب:

1. نسبت حجمی گازها: حجم گاز هیدروژن تولید شده در کاتد، دو برابر حجم گاز اکسیژن تولید شده در آند است(\(VH_{2} = 2VO_{2}\)).

2. به ازای تجزیه هر 2 مول آب، 4 مول الکترون در مدار خارجی مبادله می‌شود.

3. محیط کلی سلول پس از پایان واکنش یا مخلوط شدن کامل، خنثی باقی می‌ماند (زیرا تعداد مول\(H^{+}\) تولیدی در آند یا\( OH^{-} \) تولیدی در کاتد برابر است).

بخش دوم: استخراج منیزیم از آب دریا و برقکافت \(MgCl_{2}\)

منیزیم دومین کاتیون فراوان در آب دریا (پس از سدیم) است. استخراج این فلز ارزشمند و سبک از آب دریا، یک فرایند چندمرحله‌ای جذاب است که مفاهیم رسوب‌گیری، واکنش اسید-باز، و در نهایت الکتروشیمی را در هم می‌آمیزد.

مراحل صنعتی استخراج منیزیم:

مرحله 1: رسوب‌گیری (جداسازی یون منیزیم از آب دریا)

آب دریا حاوی یون‌های (\(Mg^{2+}\)) محلول است. برای خارج کردن آن، به آب دریا یک باز قوی ارزان‌قیمت (معمولاً کلسیم هیدروکسید یا همان آب آهک) می‌افزایند. یون‌های منیزیم با یون‌های هیدروکسید واکنش داده و به صورت رسوب سفیدرنگ منیزیم هیدروکسید ته‌نشین می‌شوند.\[Mg^{2+}(aq) + 2OH^{-}(aq) \to Mg(OH)_{2}(s)\]مرحله 2: خنثی‌سازی (تبدیل رسوب به نمک محلول)

رسوب (\(Mg(OH)_{2}\)) را فیلتر کرده و جدا می‌کنند. سپس آن را در هیدروکلریک اسید  (\(HCl\)) حل می‌کنند تا واکنش اسید و باز (خنثی‌سازی) رخ دهد و محلول منیزیم کلرید به دست آید.\[Mg(OH)_{2}(s) + 2HCl(aq)\to  MgCl_{2}(aq) + 2H_{2}O(l)\]مرحله 3: تبلور و ذوب (آماده‌سازی برای برقکافت)

محلول\( MgCl_{2}\) را حرارت می‌دهند تا آب آن تبخیر شده و بلورهای جامد \( MgCl_{2}\)به دست آید. سپس این جامد را در کوره‌های مخصوص حرارت می‌دهند تا در دمای بالا (حدود \(714^{\circ }C\)) ذوب شود و به \( MgCl_{2}\)تبدیل گردد. دلیل این کار (همانند سدیم کلرید) این است که در حضور آب، هیدروژن آب زودتر از منیزیم کاهش می‌یابد.
مرحله 4: برقکافت منیزیم کلرید مذاب
اکنون نمک مذاب که حاوی یون‌های متحرک \(Mg^{2+}\) و \(Cl^{-}\) است، وارد سلول الکترولیتی می‌شود.
• آند (قطب مثبت) - محل اکسایش:
یون‌های کلرید به سمت آند رفته و با از دست دادن الکترون، گاز کلر تولید می‌کنند (این گاز کلر جمع‌آوری شده و دوباره برای تولید (\(HCl\))در مرحله 2 استفاده می‌شود که نشان از چرخه سبز و اقتصادی این صنعت دارد).\[2Cl^{-}(l) \rightarrow Cl_{2}(g) + 2e^{-}\]• کاتد (قطب منفی) - محل کاهش:
یون‌های منیزیم به سمت کاتد رفته، الکترون می‌گیرند و فلز مذاب منیزیم تولید می‌شود.\[Mg^{2+}(l) + 2e^{-} \rightarrow Mg(l)\]• واکنش کلی سلول برقکافت:\[MgCl_{2}(l) \xrightarrow{\text{برقکافت}} Mg(l) + Cl_{2}(g)\]