فلزات ترکیبات طبیعی پوسته زمین هستند که در آنها عموماً به شکل سنگ معدن فلزی یافت می‌شوند که هم با یکدیگر و هم با بسیاری از عناصر دیگر مرتبط هستند. آنها همچنین به طور طبیعی در سنگ‌های شسته شده توسط آب‌های سطحی و زیرزمینی و در گرد و غبار اتمسفر نیز وجود دارند.
هیدروژن یک منبع انرژی پاک و کارآمد است. از هیدروژن می توان برای تولید برق، سوخت خودروها و سایر کاربردها استفاده کرد. استفاده از فلزات برای تولید هیدروژن می تواند یک روش کارآمد و مقرون به صرفه برای تولید این منبع انرژی پاک باشد.
در زمینه تولید هیدروژن، یکی از روش‌های مورد استفاده تولید هیدروژن از آب با استفاده از الکترولیز است. در این روش، از فلزاتی به عنوان الکترودها استفاده می‌شوند، برخی از بهترین‌های آنها عبارتند از:
1. پلاتین (Platinum)
پلاتین (به انگلیسی Platinum) یک عنصر فلزی با عدد اتمی 78، نماد Pt جرم اتمی 195 است. این عنصر بسیار نادر است و در پوسته زمین یافت می‌شود. در جدول تناوبی عناصر، در گروه 10 و در دوره 6 بین ایریدیوم و طلا یافت می‌شود. از آن به عنوان “فلز انتقالی” یاد می‌شود. همچنین یکی از “فلزات پلاتین” به همراه ایریدیوم، اوسمیوم، پالادیوم، رودیوم و روتنیم است.
از پلاتین در الکترولیز استفاده می شود زیرا پلاتین یک فلز واکنش پذیر است، این بدان معناست که می تواند به راحتی با اکسیژن آب واکنش دهد و هیدروژن آزاد کند. پلاتین همچنین یک فلز با رسانایی الکتریکی بالا است، این بدان معناست که می تواند جریان الکتریکی را به خوبی هدایت کند و درنهایت پلاتین یک فلز مقاوم در برابر خوردگی است که این بدان معناست که می تواند در برابر آب و سایر مواد شیمیایی پایدار باشد.
در الکترولیز، جریان الکتریکی از آب عبور داده می شود و هیدروژن و اکسیژن تولید می شود. الکترودهای فلزی در آب قرار می گیرند و جریان الکتریکی از طریق آنها عبور می کند. این باعث می شود که هیدروژن در کاتد (الکترود منفی) و اکسیژن در آند (الکترود مثبت) تولید شود.
پلاتین به دلیل واکنش پذیری بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت در برابر خوردگی، یک الکترود ایده آل برای الکترولیز است. این فلز می تواند به راحتی با اکسیژن آب واکنش دهد و هیدروژن آزاد کند. همچنین می تواند جریان الکتریکی را به خوبی هدایت کند که برای الکترولیز ضروری است. علاوه بر این، پلاتین در برابر آب و سایر مواد شیمیایی پایدار است که باعث می شود برای الکترولیز در طیف گسترده ای از شرایط محیطی مناسب باشد.
البته، پلاتین یک فلز گران قیمت است. بنابراین، از آن معمولاً برای تولید هیدروژن در مقیاس کوچک استفاده می شود. برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ، از فلزات ارزان تر مانند آلومینیوم یا روی استفاده می شود.
2. نیکل (Nickel)
نیکل، فلزی همه کاره با خواص استثنایی، به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود در صنایع مختلف مورد توجه قرار گرفته است. نیکل یک فلز واکنش‌پذیر، به رنگ نقره‌ای سفید و با بازتاب نور بالا است. این فلز در جدول تناوبی با نماد Ni و عدد اتمی 28 قرار دارد. نیکل یکی از فلزات انتقالی است و خواصی مانند مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت مکانیکی بالا دارد و همچنین نقش مهمی در صنایع مختلف دارد.
از نیکل در الکترولیز استفاده می شود زیرا نیکل یک فلز واکنش پذیر است و این بدان معناست که می تواند به راحتی با اکسیژن آب واکنش دهد و هیدروژن آزاد کند. نیکل همچنین یک فلز با رسانایی الکتریکی بالا است که این بدان معناست که می تواند جریان الکتریکی را به خوبی هدایت کند. در نهایت نیکل یک فلز مقاوم در برابر خوردگی است که یعنی می تواند در برابر آب و سایر مواد شیمیایی پایدار باشد.
نیکل به دلیل واکنش پذیری بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت در برابر خوردگی، یک الکترود ایده آل برای الکترولیز است. این فلز می تواند به راحتی با اکسیژن آب واکنش دهد و هیدروژن آزاد کند. همچنین می تواند جریان الکتریکی را به خوبی هدایت کند که برای الکترولیز ضروری است. علاوه بر این، نیکل در برابر آب و سایر مواد شیمیایی پایدار است که باعث می شود برای الکترولیز در طیف گسترده ای از شرایط محیطی مناسب باشد.
البته، نیکل یک فلز گران قیمت نیست. بنابراین، از آن اغلب برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ استفاده می شود. برای تولید هیدروژن در مقیاس کوچک، از فلزات ارزان تر مانند آلومینیوم یا روی استفاده می شود.
3. فسفر برنزه (Phosphor Bronze)
فسفر برنزه یک آلیاژ مس است که حاوی مقادیر کمی فسفر است. این آلیاژ دارای خواصی مانند استحکام بالا، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی است. فسفر برنزه یک آلیاژ با خواص مفید است که در کاربردهای مختلفی مانند ساخت قطعات صنعتی، ساخت قطعات دریایی، ساخت قطعات پزشکی و ساخت سازهای موسیقی استفاده می شود.
از فسفر برنزه در الکترولیز استفاده می شود زیرا فسفر برنزه یک فلز واکنش پذیر است و رسانایی الکتریکی بالا دارد. فسفر برنزه همچنین یک فلز مقاوم در برابر خوردگی است.
در ادامه برخی از مزایای استفاده از فسفر برنزه در الکترولیز نسبت به سایر فلزات آورده شده است:
- هزینه کمتر: فسفر برنزه نسبت به سایر فلزات مانند پلاتین، نیکل و روتینیم ارزان تر است.
- وزن کمتر: فسفر برنزه نسبت به سایر فلزات وزن کمتری دارد. این می تواند در کاربردهایی که وزن یک عامل مهم است، مانند صنایع هوافضا و حمل و نقل، مفید باشد.
- مقاومت در برابر خوردگی: فسفر برنزه نسبت به سایر فلزات مقاومت بیشتری در برابر خوردگی دارد. این می تواند در کاربردهایی که فلز در معرض آب یا سایر مواد شیمیایی قرار دارد، مفید باشد.
با این حال، فسفر برنزه نیز دارای برخی معایب است، از جمله:
- رسانایی الکتریکی کمتر: فسفر برنزه نسبت به سایر فلزات مانند مس و نقره رسانایی الکتریکی کمتری دارد. این می تواند در کاربردهایی که جریان الکتریکی بالا مورد نیاز است، مانند تولید برق، مفید باشد.
- مقاومت در برابر سایش کمتر: فسفر برنزه نسبت به سایر فلزات مانند فولاد و مس مقاومت در برابر سایش کمتری دارد. این می تواند در کاربردهایی که فلز در معرض سایش قرار دارد، مانند صنایع معدنی و ساخت و ساز، مفید باشد.
4. آلومینیوم (Aluminum)
سبک، بادوام و کاربردی. جمع شدن این سه ویژگی در یک ماده به همین سادگی‌ها نیست. اما جالب است که بدانید آلومینیوم این سه را با هم دارد و همین سه ویژگی آن را به یک فلز منحصربه‌فرد و به یکی از مواد مهندسی کلیدی زمان ما تبدیل کرده است. شما از صبح که از خواب بیدار می‌شوید بارها و بارها این فلز را در اشکال مختلف مشاهده می‌کنید. در خانه، در اتومبیل‌ها، در قطارها و هواپیماها، در تلفن‌های همراه و کامپیوترهایی که هر روز استفاده می‌کنید، در قفسه‌های داخل یخچال‌ها، در وسایل مدرن و هزاران هزار کاربرد دیگر که نمی‌توان تمام آنها را یکجا نام برد.
آلومینیوم (به انگلیسی Aluminium) فلزی به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، عنصر 13 جدول تناوبی است. یکی از واقعیت‌های شگفت انگیز در مورد آلومینیوم این است که گسترده‌ترین فلز روی کرۀ زمین است و بیش از 8 درصد از جرم هسته زمین را تشکیل می‌دهد. عدد 8 درصد واقعاً برای یک عنصر بسیار زیاد و شگفت انگیز است. همچنین سومین عنصر شیمیایی رایج در سیاره ما پس از اکسیژن و سیلیکون است. در عین حال، به دلیل اینکه به راحتی با سایر عناصر ادغام می‌شود، آلومینیوم خالص در طبیعت وجود ندارد.
از آلومینیوم در الکترولیز استفاده می شود زیرا آلومینیوم یک فلز فراوان است. آلومینیوم سومین عنصر فراوان در پوسته زمین است. این بدان معناست که منابع آلومینیوم ارزان و در دسترس هستند. آلومینیوم یک فلز سبک است. آلومینیوم دارای چگالی پایینی است که آن را به یک فلز سبک تبدیل می کند. این باعث می شود آلومینیوم برای کاربردهایی که وزن یک عامل مهم است، مانند صنایع هوافضا و حمل و نقل، مناسب باشد. آلومینیوم یک فلز مقاوم در برابر خوردگی است. آلومینیوم در برابر خوردگی توسط هوا و آب مقاوم است. این باعث می شود آلومینیوم برای کاربردهایی که فلز در معرض این عوامل قرار دارد، مانند صنایع ساخت و ساز و بسته بندی، مناسب باشد.
در فرایند الکترولیز آلومینیوم، اکسید آلومینیوم (Al2O3) در یک محلول کریولیت (Na3AlF6) ذوب شده قرار می گیرد. سپس جریان الکتریکی از طریق محلول عبور داده می شود. این باعث می شود که آلومینیوم خالص در کاتد (الکترود منفی) رسوب کند و اکسیژن در آند (الکترود مثبت) آزاد شود. فرایند الکترولیز آلومینیوم یک فرایند پیچیده است که نیاز به انرژی زیادی دارد. با این حال، این فرایند تنها روش اقتصادی برای تولید آلومینیوم خالص است.
در پایین برخی از کاربردهای آلومینیوم در الکترولیز آورده شده است:
- تولید آلومینیوم خالص: الکترولیز آلومینیوم تنها روش اقتصادی برای تولید آلومینیوم خالص است.
- تولید آلومینیوم آلیاژی: آلومینیوم خالص را می توان با سایر فلزات مانند مس، منیزیم و سیلیکون آلیاژ کرد تا آلیاژهای آلومینیوم با خواص مختلف ایجاد شود.
- تولید سایر مواد شیمیایی: آلومینیوم را می توان در فرایندهای الکترولیز مختلف برای تولید سایر مواد شیمیایی مانند هیدروکسید آلومینیوم، بوراکس و آلومینیوم فلورید استفاده کرد.
5. تیتانیوم (Titanium)
برای بسیاری از ما، تیتانیوم به معنای فلزی با کیفیت بالا است که برای ساخت فضاپیمای ناسا و سایر فناوری‌های پیشرفته استفاده می‌شود. تنها از نام آن سرنخی به دست می‌آوریم، زیرا تایتان‌ها را به یاد می‌آورد، غول‌های مهیبی که قبل از خدایان المپ بودند. تیتانیوم یک فلز عجیب است که دارای ترکیبی منحصر به فرد از خواص مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی است. تیتانیوم دارای قیمت نسبتاً بالایی است و برای ساخت این فلز به ابزار خاصی نیاز است.
تیتانیوم (Ti) عنصر شماره 22 جدول تناوبی و یک فلز خاکستری نقره‌ای از گروه 4 (IVb) جدول تناوبی است که به طور طبیعی روی زمین یافت می‌شود و وزن اتمی آن 47.90 است. تیتانیوم یک فلز با ساختاری سبک وزن، با استحکام بالا و خوردگی کم است و به شکل آلیاژی برای قطعات هواپیماهای پرسرعت استفاده می‌شود. ترکیبی از تیتانیوم و اکسیژن (سال 1791) توسط شیمی‌دان و کانی‌شناس انگلیسی ویلیام گرگور (William Gregor) کشف شد و به‌طور مستقل (سال 1795) توسط شیمی‌دان آلمانی مارتین هاینریش کلاپروت (Martin Heinrich Klaproth) دوباره کشف شد.
از تیتانیوم در الکترولیز استفاده می شود زیرا تیتانیوم یک فلز مقاوم در برابر خوردگی است. تیتانیوم در برابر خوردگی توسط اکثر مواد شیمیایی، از جمله آب، اسید و باز مقاوم است. این باعث می شود تیتانیوم برای کاربردهایی که فلز در معرض خوردگی قرار دارد، مانند صنایع شیمیایی و پتروشیمی، مناسب باشد. تیتانیوم یک فلز قوی است. تیتانیوم دارای استحکام کششی بالا و مدول الاستیسیته بالا است. این باعث می شود تیتانیوم برای کاربردهایی که نیاز به استحکام بالا دارند، مانند صنایع هوافضا و ساخت و ساز، مناسب باشد. تیتانیوم یک فلز سبک است. تیتانیوم دارای چگالی پایینی است که آن را به یک فلز سبک تبدیل می کند. این باعث می شود تیتانیوم برای کاربردهایی که وزن یک عامل مهم است، مانند صنایع هوافضا و حمل و نقل، مناسب باشد.
در فرایند الکترولیز تیتانیوم، اکسید تیتانیوم (TiO2) در یک محلول کلرید تیتانیوم (TiCl4) ذوب شده قرار می گیرد. سپس جریان الکتریکی از طریق محلول عبور داده می شود. این باعث می شود که تیتانیوم خالص در کاتد (الکترود منفی) رسوب کند و کلر در آند (الکترود مثبت) آزاد شود.
فرایند الکترولیز تیتانیوم یک فرایند پیچیده است که نیاز به انرژی زیادی دارد. با این حال، این فرایند تنها روش اقتصادی برای تولید تیتانیوم خالص است.
6. روی (Zinc)
روی (به انگلیسی Zinc) یک بازیگر ضروری در صنایع متعدد و سیستم‌های بیولوژیکی است. این عنصر به عنوان فلز واسطه طبقه بندی می‌شود و در جدول تناوبی با نماد اتمی Zn نشان داده می‌شود. روی عمدتاً از مواد معدنی سولفید روی مانند اسفالریت توسط فرآیندی به نام ذوب تولید می‌شود. این فلز همه کاره به دلیل خواص منحصر به فرد و طیف گسترده‌ای از کاربردها محبوبیت قابل توجهی به دست آورده است.
از روی در الکترولیز استفاده می شود زیرا روی یک فلز واکنش پذیر است. این بدان معناست که می تواند به راحتی با اکسیژن آب واکنش دهد و هیدروژن آزاد کند. روی همچنین یک فلز با رسانایی الکتریکی بالا است. این یعنی می تواند جریان الکتریکی را به خوبی هدایت کند. درنهایت روی یک فلز مقاوم در برابر خوردگی است. این بدان معناست که می تواند در برابر آب و سایر مواد شیمیایی پایدار باشد.
در الکترولیز روی، سولفات روی (ZnSO4) در یک محلول آبی قرار می گیرد. سپس جریان الکتریکی از طریق محلول عبور داده می شود. این باعث می شود که روی خالص در کاتد (الکترود منفی) رسوب کند و اکسیژن در آند (الکترود مثبت) آزاد شود.
فرایند الکترولیز روی یک فرایند نسبتاً ساده است که نیاز به انرژی زیادی ندارد. این فرایند تنها روش اقتصادی برای تولید روی خالص است.
در ادامه برخی از کاربردهای روی در الکترولیز آورده شده است:
- تولید روی خالص: الکترولیز روی تنها روش اقتصادی برای تولید روی خالص است.
- تولید آلیاژهای روی: روی خالص را می توان با سایر فلزات مانند آلومینیوم، مس و سرب آلیاژ کرد تا آلیاژهای روی با خواص مختلف ایجاد شود.
- تولید سایر مواد شیمیایی: روی را می توان در فرایندهای الکترولیز مختلف برای تولید سایر مواد شیمیایی مانند هیدروکسید روی، کربنات روی و اکسید روی استفاده کرد.
در نهایت، انتخاب بهترین فلز برای الکترولیز به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله هزینه، کارایی، فراوانی و شرایط محیطی. در صورتی که به دنبال فلزی با واکنش پذیری بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت در برابر خوردگی هستید، روی یک گزینه مناسب است.
در ادامه برخی از مزایای استفاده از روی در الکترولیز نسبت به سایر فلزات آورده شده است:
- واکنش پذیری بالا: روی نسبت به سایر فلزات مانند آلومینیوم، فولاد و مس واکنش پذیری بیشتری دارد. این می تواند در کاربردهایی که نیاز به واکنش سریع فلز با الکترولیت دارند، مفید باشد.
- رسانایی الکتریکی بالا: روی نسبت به سایر فلزات مانند آلومینیوم، فولاد و مس رسانایی الکتریکی بالاتری دارد. این می تواند در کاربردهایی که نیاز به جریان الکتریکی بالا دارند، مفید باشد.
- مقاومت در برابر خوردگی: روی نسبت به سایر فلزات مانند آلومینیوم، فولاد و مس مقاومت بیشتری در برابر خوردگی دارد. این می تواند در کاربردهایی که فلز در معرض خوردگی قرار دارد، مفید باشد.
با این حال، روی نیز دارای برخی معایب است، از جمله:
- سمیت: روی می تواند در صورت بلعیده شدن یا استنشاق مضر باشد.
- اشتعال پذیری: روی می تواند در صورت گرم شدن بیش از حد مشتعل شود.
در مجموع، روی یک فلز با خواص مفید است که در کاربردهای مختلفی از جمله تولید روی خالص، تولید آلیاژهای روی و تولید سایر مواد شیمیایی استفاده می شود.
7. روتینیم
روتنیم (به انگلیسی Ruthenium) یک عنصر شیمیایی با نماد Ru و عدد اتمی ۴۴ است. این یک فلز واسطه نادر است که متعلق به گروه پلاتین جدول تناوبی است. مانند سایر فلزات گروه پلاتین، روتنیم نسبت به سایر مواد شیمیایی بی اثر است. روتنیم به طور طبیعی در سنگ معدن‌های دیگر فلزات گروه پلاتین یافت می‌شود. این عنصر به عنوان محصول جانبی در فرآوری تجاری سنگ معدن نیکل، مس و فلزات پلاتین استخراج می‌شود.
از روتینیم در الکترولیز استفاده می شود زیرا روتینیم یک فلز مقاوم در برابر خوردگی است. این بدان معناست که می تواند در برابر آب، اسید و باز مقاوم باشد. این باعث می شود روتینیم برای کاربردهایی که فلز در معرض خوردگی قرار دارد، مناسب باشد. روتینیم یک فلز با رسانایی الکتریکی بالا است. این بدان معناست که می تواند جریان الکتریکی را به خوبی هدایت کند. این می تواند در کاربردهایی که نیاز به جریان الکتریکی بالا دارند، مفید باشد. روتینیم یک فلز با استحکام بالا است. این بدان معناست که می تواند در برابر سایش و ضربه مقاوم باشد. این می تواند در کاربردهایی که فلز در معرض سایش و ضربه قرار دارد، مفید باشد.
در الکترولیز روتینیم، کلرید روتینیم (RuCl3) در یک محلول آبی قرار می گیرد. سپس جریان الکتریکی از طریق محلول عبور داده می شود. این باعث می شود که روتینیم خالص در کاتد (الکترود منفی) رسوب کند و کلر در آند (الکترود مثبت) آزاد شود.
فرایند الکترولیز روتینیم یک فرایند نسبتاً ساده است که نیاز به انرژی زیادی ندارد. این فرایند تنها روش اقتصادی برای تولید روتینیم خالص است.
در مجموع، روتینیم یک فلز با خواص مفید است که در کاربردهای مختلفی از جمله تولید روتینیم خالص، تولید آلیاژهای روتینیم و تولید سایر مواد شیمیایی استفاده می شود.
استفاده از فلزهای مختلف به توجه به شرایط و نوع الکترولیز مورد استفاده متغیر است. در این زمینه، تحقیقات بیشتر در خصوص بهبود راندمان و کاهش هزینه‌ها همچنان ادامه دارد.
فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 24 آذر 1402
