વિદ્યુતવિભાજન (electrolysis)

વિદ્યુતવિભાજન (electrolysis) : વિદ્યુતવિભાજ્યો-(electrolytes)ના દ્રાવણમાં અથવા પીગળેલા ક્ષારમાં વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરીને રાસાયણિક પ્રક્રિયા કરવાની પદ્ધતિ. આ માટે વપરાતા એક સાદા વિદ્યુતવિભાજકીય (electrolytic) કોષની રચના આકૃતિમાં દર્શાવી છે.

એક પાત્રમાં જેનું વિદ્યુતવિભાજન કરવાનું હોય તેનું જલીય દ્રાવણ અથવા પીગળેલો ક્ષાર લેવામાં આવે છે. વિદ્યુતપ્રવાહને પસાર કરવા માટે તેમાં ધાતુની પટ્ટી અથવા ગ્રૅફાઇટ(કાર્બન)ના સળિયાના બનેલા વીજધ્રુવો (electrodes) ડુબાડવામાં આવે છે. આ વીજધ્રુવોને એકદિશી (direct current, D.C.) વીજપ્રવાહના સ્રોત સાથે જોડવામાં આવે છે. વીજપ્રવાહના માપન માટે પરિપથમાં ઍમિટર (ammeter) અને વોલ્ટમિટર પણ જોડવામાં આવે છે. બે પૈકીનો એક વીજધ્રુવ ધન વીજધ્રુવ અથવા ઍનોડ તરીકે જ્યારે બીજો ઋણ વીજધ્રુવ અથવા કૅથોડ તરીકે ઓળખાય છે. ડી.સી. પ્રવાહ કોષમાં પસાર કરવામાં આવતાં ઍનોડ આગળ ઉપચયનની જ્યારે કૅથોડ આગળ અપચયન(reduction)ની ક્રિયા થાય છે. દ્રાવણમાં વિદ્યુતનું વહન આયનો [ધનાયનો અથવા કૅટાયનો (cations) અને ઋણાયનો અથવા ઍનાયનો (anions)] મારફત થાય છે. કૅટાયનો કૅથોડ તરફ જ્યારે ઍનાયનો ઍનોડ તરફ ગતિ કરે છે. કૅટાયનો કૅથોડ પાસેથી ઇલેક્ટ્રૉન મેળવીને અપચયન અને ઍનાયનો ઍનોડને ઇલેક્ટ્રૉન આપી દઈને ઉપચયન પામે છે; દા.ત., કોષમાં ઝિંક-ક્લોરાઇડનું દ્રાવણ લેવામાં આવ્યું હોય તો દ્રાવણમાં તેના આયનીકરણ દ્વારા Zn²⁺ અને Cl^– આયનો ઉત્પન્ન થશે :

ZnCl₂ = Zn²⁺ + 2Cl^–

ઝિંક આયનો કૅથોડ ઉપર ઝિંક ધાતુના રૂપમાં જમા થશે. જ્યારે કાર્બનના ઍનોડ પર ક્લોરિન વાયુ ઉત્પન્ન થશે :

Zn²⁺ + 2e = Zn (કૅથોડિક પ્રક્રિયા)

2Cl^– = Cl₂ + 2e (ઍનોડિક પ્રક્રિયા)

સામાન્ય પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

MX_n Mⁿ⁺ + nX^–

Mⁿ⁺ + ne → M

X^– → X + e

દ્રાવણમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર થતો હોવા છતાં રાસાયણિક પ્રક્રિયા ફક્ત વીજધ્રુવો આગળ જ થતી જોવા મળે છે. આમ ઇલેક્ટ્રૉનના પ્રવાહને કારણે જે રાસાયણિક ફેરફાર (ઉપચયન અને અપચયન) થાય તેને વિદ્યુતવિભાજન કહે છે.

જો એક કરતાં વધારે પ્રકારનાં આયનો દ્રાવણમાં હોય તો વીજધ્રુવ તરફ આકર્ષાતાં આયનો પૈકી જે આયનને ઓછી ઊર્જાની જરૂર પડે તે આયન દ્રાવણમાંથી પહેલો મુક્ત થાય છે. દ્રાવણમાંથી આયનને મુક્ત થવા માટે જોઈતી ઊર્જા વિદ્યુતવિભાજન માટે બે વીજધ્રુવો વચ્ચે આપવામાં આવતા વીજવિભવ(electrode potential)ના તફાવત ઉપરથી મપાય છે. આ વિભવને વીજવિભાર-વિભવ (discharge potential) અથવા નિક્ષેપન(deposition)-વિભવ કહે છે.

વિદ્યુતવિભાજનને પરિણામે નીપજતા પદાર્થોના જથ્થા, તેમના ઉત્પાદનનો દર અને ઘણી વાર તેમની પ્રકૃતિ (દા.ત., ધાતુની લિસ્સી કે ખરબચડી સપાટી) વિદ્યુતવિભાજનના સંજોગો પર આધાર રાખે છે. ફૅરેડેએ વિદ્યુતવિભાજનનો વિસ્તૃત અભ્યાસ કરી જણાવ્યું કે વિદ્યુતવિભાજન દરમિયાન વિદ્યુતના જથ્થા અને વિદ્યુતધ્રુવો આગળ થતા રાસાયણિક ફેરફાર વચ્ચે માત્રાત્મક (quantitative) સંબંધ છે. આ અંગે તેમણે 1833-34માં બે નિયમો રજૂ કર્યા જે ફૅરેડેના નિયમો તરીકે ઓળખાય છે. આ નિયમ મુજબ કોઈ એક એકલ (single) વીજધ્રુવ-પ્રક્રિયા (electrode reaction) દ્વારા વપરાતા કે ઉત્પન્ન થતા પદાર્થનો જથ્થો (W) એ વિદ્યુતવિભાજનમાં વપરાતા વિદ્યુતના જથ્થા (Q) (કુલોમ્બ)ના અનુપાતમાં હોય છે. W a Q આ વિદ્યુતજથ્થો એ દ્રાવણમાં વહેતા વીજપ્રવાહ (I) (ઍમ્પિયર) અને વિદ્યુતવિભાજનના સમય (t) સેકન્ડના ગુણાકાર બરાબર હોય છે. (Q = It).

∴ W = zQ = zIt

અહીં z એ એક કુલોમ્બ જેટલો વિદ્યુતનો જથ્થો પસાર કરવાથી વીજધ્રુવ આગળ ઉત્પન્ન થતો પદાર્થનો જથ્થો છે. તેને વીજરાસાયણિક તુલ્યભાર (electrochemical equivalent) કહે છે.

વિદ્યુતવિભાજનની નીપજોની પ્રકૃતિ અને પ્રત્યેક વીજધ્રુવ આગળની તેની સાપેક્ષ વિપુલતા વીજધ્રુવના વિભવ (potential) પર આધાર રાખે છે. ઔદ્યોગિક કોષોમાં વીજવિભવનું નિયંત્રણ આડકતરી રીતે વીજધ્રુવ આગળની પ્રવાહ-ઘનતા(current density) (એકમ ક્ષેત્રફળદીઠ વીજપ્રવાહ)ની ગોઠવણી દ્વારા થાય છે. વિદ્યુતવિભાજન માટેના પ્રવાહના નિયંત્રણનો ફાયદો એ છે કે ઔદ્યોગિક એકમોમાં અનેક એકસરખા વિદ્યુતવિભાજકીય કોષો શ્રેણીમાં જોડી શકાય છે.

વિદ્યુતવિભાજકીય (electrolytic) કોષો તેમની વીજપ્રવાહ-ક્ષમતા (current efficiency) અને શક્તિવપરાશની ક્ષમતા (power consumption efficiency) વડે લક્ષણચિત્રિત થાય છે. વીજપ્રવાહ-ક્ષમતા એ વપરાતા અથવા ઉત્પન્ન થતા પદાર્થનો જથ્થો અને ફૅરેડેના નિયમ મુજબ આ પદાર્થના સૈદ્ધાંતિક જથ્થાનો ગુણોત્તર છે. જો કોઈ આડકતરી પ્રક્રિયા અથવા દ્રાવકનું વિદ્યુતવિભાજન કે બાષ્પીભવન થતું ન હોય તો વીજધ્રુવની વીજપ્રવાહ-ક્ષમતા 100 % હોઈ શકે છે. શક્તિવપરાશની ક્ષમતા એ કોઈ એક પદાર્થનો અમુક જથ્થો મેળવવા માટે જોઈતી સૈદ્ધાંતિક વીજશક્તિ અને ખરેખર વપરાતી વીજશક્તિના ગુણોત્તરથી મપાય છે. અતિવોલ્ટતા(overvoltage)ની ઘટના, આડકતરી પ્રક્રિયા તેમજ ઓહ્મિક-પાત (ohmic drop) (વોલ્ટેજ પાત, voltage drop)ને કારણે તે 100 % કરતાં ઓછી હોય છે. ઘણી વાર તો 50 % કરતાં પણ ઓછી હોય છે.

વિદ્યુતવિભાજનના ઉપયોગો : વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા ઘણાં રસાયણો; દા.ત., હાઇડ્રોજન, ઑક્સિજન, હાઇડ્રોજન પેરૉક્સાઇડ, ક્લોરિન, સોડિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ (કૉસ્ટિક સોડા) મેળવી શકાય છે. પાણીના વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા ડ્યુટેરિયમ ઑક્સાઇડ (ભારે પાણી, heavy water) વડે સમૃદ્ધ પાણી મળે છે. પીગળેલા ક્ષારોના વિદ્યુતવિભાજન વડે સોડિયમ, ઍલ્યુમિનિયમ, મૅગ્નેશિયમ જેવી ધાતુઓ મેળવી શકાય છે. લોખંડ જેવી ધાતુને કાટ ન લાગે તે માટે તેના પર ક્રોમિયમ કે નિકલ જેવી ધાતુનું સંક્ષારણરોધક (corrosion resistant) પડ ચઢાવવા પણ આ તકનીક વપરાય છે. તે જ પ્રમાણે સોના કે ચાંદીના ઢોળ ચઢાવવા પણ તે ઉપયોગમાં લેવાય છે. આવું પડ લિસ્સું અને ચળકતું મળે તે માટે વિદ્યુતવિભાજન માટેના દ્રાવણમાં સંકીર્ણ ક્ષારો તથા કાર્બનિક ઉમેરણો(additives)નો ઉપયોગ થાય છે. નીચી કક્ષાના અયસ્કોમાંથી કૉપર, ઝિંક કે કૅડમિયમ જેવી ધાતુઓના નિષ્કર્ષણ માટે તેમજ ધાતુના ઇલેક્ટ્રોપૉલિશિંગમાં પણ આ પદ્ધતિ વપરાય છે.

કાર્બનિક રસાયણમાં નાઇટ્રોસંયોજનોના અપચયન, ચરબીજ ઍસિડના ઉપચયન (કૉલ્બેની પ્રક્રિયા) જેવી પ્રક્રિયાઓ માટે પણ વિદ્યુતવિભાજનનો ઉપયોગ થાય છે.

ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ