From Wikipedia, the free encyclopedia
રસાયણશાસ્ત્ર અને ઉત્પાદન ઇજનેરીમાં વિદ્યુત વિભાજન / વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ એ DC વીજળીના પ્રવાહનો ઉપયોગ કરીને મૂળ રૂપે બિન-સ્વયંસ્ફૂરિત હોય એવી રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓને કરાવવા માટેની એક પદ્ધતિ છે. વિદ્યુત વિભાજન એ કાચી ધાતુ જેવા કુદરતી સ્રોતોમાંથી વિદ્યુત વિભાજન કોષની મદદથી શુદ્ધ તત્ત્વોને છૂટા પાડવા માટે વ્યાપારિક ધોરણે ખૂબ જ મહત્વનો તબક્કો છે.
પીગાળેલા અથવા યોગ્ય દ્રાવકમાં દ્રાવ્ય થયેલા (ઓગાળેલા) આયનીય પદાર્થમાંથી DC વીજ પ્રવાહ પસાર કરવાની પદ્ધતિને વિદ્યુત વિભાજન કહે છે, જેના કારણે વીજધ્રુવો ઉપર રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ થાય છે અને પદાર્થનું વિઘટન થઇ તત્વો છૂટાં પડે છે.
વિદ્યુત વિભાજન કરવા માટે જરૂરી ઘટકો આ પ્રમાણે છે:
ઉપરોક્ત તમામ ઘટકો વિદ્યુત વિભાજનની પ્રક્રિયામાં નીચે મુજબની ભૂમિકા ભજવે છે:
વિદ્યુત ધ્રુવો વીજળીના સુવાહક હોવા જોઇએ. ધાતુ, ગ્રેફાઇટ અને સેમિકન્ડક્ટરનાં વિદ્યુત ધ્રુવોનો ઉપયોગ મોટા પાયે કરવામાં આવે છે. યોગ્ય વિદ્યુત ધ્રુવોની પસંદગીનો આધાર નીચેની બાબતો ઉપર હોય છે:
વિદ્યુત વિભાજનના પ્રયોગ અનુસાર સાધનોમાં આ વસ્તુઓનો સમાવેશ થાય છે:
વિદ્યુત વિભાજનની ચાવીરૂપ પ્રક્રિયા બાહ્ય સર્કિટમાંથી ઇલેક્ટ્રોન ઉમેરી અથવા દૂર કરીને પરમાણુ અને આયનની એકબીજામાં તબદિલી કરવાની છે. વિદ્યુત વિભાજનની ઇચ્છિત નીપજ ઘણી વખત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કરતા જુદી ભૌતિક સ્થિતિમાં હોય છે અને તેને કેટલીક ભૌતિક પ્રક્રિયાઓ દ્વારા દૂર કરી શકાય તે છે. દા.ત. દરિયાનાં પાણીનું વિદ્યુત વિભાજન કરીને હાઇડ્રોજન અને ક્લોરિનનું ઉત્પાદન કરતી વખતે નીપજો વાયુ સ્વરૂપમાં હોય છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મારફતે આ વાયુમય નીપજો પરપોટા સ્વરૂપે ઉપર આવે છે અને તેને એકત્ર કરવામાં આવે છે.
મુક્ત રીતે ફરી શકે તેવા આયન ધરાવતા દ્રાવણ - વિદ્યુત વિભાજ્ય (ઇલેક્ટ્રોલાઇટ)નું ઉત્પાદન નીચેની રીતે થાય છે:
ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ડૂબાડેલા વિદ્યુત ધ્રુવોની વચ્ચે વિદ્યુત સ્થિતિમાનનો તફાવત ઊભો કરવામાં આવે છે.
પ્રત્યેક વિદ્યુત ધ્રુવ વિરુદ્ધ વિદ્યુતભાર ધરાવનાર આયનને પોતાની તરફ આકર્ષિત કરે છે. ધન વિદ્યુતભારવાળા ધનાયન ઇલેક્ટ્રોન-દાતા ઋણ ધ્રુવની તરફ ગતિ કરે છે. જ્યારે ઋણ વિદ્યુતભારવાળા ઋણાયન ઇલેક્ટ્રોન શોષક ધન ધ્રુવ તરફ ગતિ કરે છે.
વિદ્યુત ધ્રુવો ઉપર ઇલેક્ટ્રોનના શોષણ અને મુક્ત કરવાની પ્રક્રિયા પરમાણુઓ અને આયન દ્વારા કરવામાં આવે છે. જે તટસ્થ પરમાણુઓ ઇલેક્ટ્રોન મેળવે છે અથવા ગુમાવે છે તે વીજભારિત આયન બની જાય છે, અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ભળી જાય છે. આયન ઇલેક્ટ્રોન મેળવીને કે ગુમાવીને વીજભાર વિનાના પરમાણુઓ બની જાય છે, પછી તેઓ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી છૂટા પડી જાય છે. આયનમાંથી બનેલા વીજભારરહિત પરમાણુઓને વિસર્જકો કહેવામાં આવે છે.
આયનો ધ્રુવ તરફ ગતિ કરી જાય તે માટેની જરૂરી ઊર્જા અને આયનના બંધારણમાં ફેરફાર કરતી ઊર્જા વીજ પ્રવાહનું પરિબળ ધરાવતા બાહ્ય સ્રોતમાંથી લેવામાં આવે છે.
આયન કે તટસ્થ અણુઓના ઓક્સિડેશનની પ્રક્રિયા ધનધ્રુવ ઉપર જોવા મળે છે. દા.ત. ધનધ્રુવ ઉપર ફેરસ આયનનું ફેરિક આયનમાં ઓક્સિડેશન કરી શકાય છે:
આયન કે તટસ્થ અણુઓના રિડક્શનની પ્રક્રિયા ઋણધ્રુવ ઉપર જોવા મળે છે. ઋણધ્રુવમાંથી ફેરિસિનાઇડ આયનમાંથી ફેરોસિનાઇડ આયનમાં રિડક્શન કરી શકાય છે:
તટસ્થ અણુ પણ બન્નેમાંથી કોઈ પણ વીજધ્રુવ સાથે પ્રક્રિયા કરી શકે છે. દા.ત. ઋણધ્રુવ ઉપર પી-બેન્ઝોક્વિનોનને ઘટાડીને હાઇડ્રોક્વિનોન કરી શકાય છે:
+ 2 e− + 2 H+ →
ઉપરના ઉદાહરણમાં H+ આયન પણ પ્રક્રિયામાં ભાગ લે છે. જે દ્રાવણમાં રહેલા તેજાબમાંથી અથવા દ્રાવક (પાણી, મિથેનોલ વગેરે)માંથી મળે છે. H+ ધરાવતી વિદ્યુત વિભાજન પ્રક્રિયાઓ એસિડિક દ્રાવણોમાં ઘણી માત્રામાં જોવા મળે છે. બેઝિક જલીય દ્રાવણોમાં OH- (હાઇડ્રોક્સાઇડ આયન)વાળી પ્રક્રિયાઓ સામાન્ય રીતે થતી હોય છે.
ક્યારેક દ્રાવક (સામાન્યતઃ પાણી) પોતે પણ વીજધ્રુવ પર ઓક્સિડેશન કે રિડક્શન પામી શકે છે. વાયુ પદાર્થોનું પણ વિદ્યુત વિભાજન કરવું શક્ય છે. ઉદા. વાયુ ડીફ્યુઝન વીજધ્રુવનો ઉપયોગ કરતી વખતે આ બને છે.
ઉમેરવી પડતી વિદ્યુત ઊર્જાનો જથ્થો પ્રક્રિયામાં થતા ગિબ્સ મુક્ત ઊર્જા ફેરફાર અને અને તંત્રમાં થતા ઊર્જા વ્યયના સરવાળા જેટલો થાય છે. સૈદ્ધાંતિક (વલણાત્મક) રીતે ઊર્જા વ્યય શૂન્યની નજીક હોય છે, જેથી મહત્તમ થર્મોડાયનેમિક કાર્યક્ષમતા પ્રક્રિયામાં થતા એન્થાલ્પી ફેરફાર ભાગ્યા મુક્ત ઊર્જા ફેરફાર જેટલી હોય છે. મોટા ભાગે ઉમેરવામાં આવતી વિદ્યુત ઊર્જા પ્રક્રિયાના એન્થાલ્પી ફેરફાર કરતા વધારે હોય છે. તેથી કેટલીક ઊર્જા ઊષ્મા રૂપે છૂટી પડે છે. કેટલાક કિસ્સાઓમાં જેમ કે વરાળનું હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજનમાં ઊંચા તાપમાને વિદ્યુત વિભાજન કરવામાં આવે ત્યારે આનાથી વિપરીત બને છે, અને ઊષ્મા ઊર્જા શોષાય છે. ઊષ્મા આસપાસના વાતાવરણમાંથી શોષાય છે અને ઉત્પન્ન કરવામાં આવેલા હાઇડ્રોજનનું ઊર્જા મૂલ્ય પસાર કરવામાં આવેલા વીજ પ્રવાહ કરતા વધારે હોય છે.
વિદ્યુત વિભાજન સંબંધિત અન્ય તકનિકો આ પ્રમાણે છે:
વર્ષ 1832માં માઇકલ ફેરાડેએ નોંધ્યું કે વીજ પ્રવાહ પસાર કરીને વિઘટીત કરવામાં આવનારાં તત્વોનાં જથ્થામાં ઓગળેલા ક્ષારનું પ્રમાણ સર્કિટમાંથી પસાર કરવામાં આવેલા વીજ પ્રવાહ જેટલું હોય છે. વિદ્યુત વિભાજનના પ્રથમ સિદ્ધાંતના પાયાઓ આ બન્યાં હતાં:
ફેરાડેએ એમ પણ નોંધ્યું કે જ્યારે પૂર્ણતાને પામવા માટેના વિભાજન સંકેતોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે ત્યારે વિઘટીત થયેલા જથ્થાના પરિણામ સ્વરૂપ તે એટમિક જથ્થાની સરખામણીનું હતું. આ પ્રયોગે એવી મજબૂત પુરાવાઓ આપ્યા કે તત્વોના અણુઓનું વિભાજન થાય છે ત્યારે ભૌતિક પદાર્થના સૂક્ષ્મ કણો છૂટાં પડે છે.
વિદ્યુત વિભાજનના અન્ય ઘણા ઉપયોગો પણ છે:
જૂનાં વિમાનોની સાફસફાઇ અને તેની સાચવણી માટે પણ વિદ્યુત વિભાજનનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા ધાતુજન્ય તત્વોમાંથી બિનધાતુના તત્વોથી છૂટા પાડતી હોવાથી તે જૂના સિક્કા અને જૂના દસ્તાવેજોની સફાઇમાં પણ ખૂબ જ ઉપયોગી છે.
નિષ્ક્રિય પ્લેટિનમના ઇલેક્ટ્રોડ્સ મારફતે કરવામાં આવતું કેટલાક મીઠું ધરાવતા પાણી યુક્ત પ્રવાહીનું વિદ્યુત વિભાજન ધનાયનમાં પરિણમે છે (દા. ત. ઝિન્ક મીઠાં સાથે ધાતુનું મિશ્રણ કરવું) અને ઋણાયનનું ઓક્સિડાઇઝેશન (દા. ત. બ્રોમાઇનનો બ્રોમાઇડ સાથેનો ક્રમિક વિકાસ) જોકે કેટલીક ધાતુઓનાં મીઠાં સાથે (જેમ કે સોડિયમ) હાઇડ્રોજનનો ક્રમિક વિકાસ ઋણાગ્ર ઉપર થાય છે. અને ઋણાયન ધરાવતા મીઠાં (જેમ કે સલ્ફેટ) (SO42−))માં ઓક્સિજનનો ક્રમિક વિકાસ ધનધ્રુવ ઉપર થાય છે. બંને કિસ્સાઓમાં આમ થવાનું કારણ હાઇડ્રોજનમાંથી પાણી ઘટવાથી થાય છે. અથવા તો ઓક્સિજનમાંથી ઓક્સિડાઇઝ્ડ થવાને લીધે થાય છે. સિદ્ધાંતમાં મીઠાંના દ્રાવણના વિદ્યુત વિભાજન માટે જરૂરી વીજળીનો જથ્થો સ્ટાન્ડર્ડ ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ ઉપરથી મેળવી શકાય છે. કે જે ધનાયન અને ઋણાયન ઉપર થતી પ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. ઇલેક્ટ્રોડ્ઝ ઉપર થતી પ્રતિક્રિયા અને વીજ પ્રવાહ રહિતના ઇલેક્ટ્રોડ્ઝ માટે સ્ટાન્ડર્ડ ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ ગિબ્સ ફ્રી એનર્જી અને એજી સાથે સીધી રીતે સંકળાયેલ છે. સ્ટાન્ડર્ડ ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલથી ખેંચાઇ આવતા તત્વોનું કોષ્ટક નીચે મુજબ આપવામાં આવ્યું છે.
| અર્ધપ્રક્રિયા | ઈ° (V) | સંદર્ભઃ |
|---|---|---|
| Na[[]]+ + e − ઢાંચો:Eqm Na(s ) | -2.71 | [1] |
| Zn2+ + 2e − ઢાંચો:Eqm Zn(s ) | -0.7618 | [2] |
| 2H+ + 2e − ઢાંચો:Eqm H2(g ) | ≡ 0 | |
| Br2(aq ) + 2e − ઢાંચો:Eqm 2Br− | +1.0873 | [2] |
| O2(g ) + 4H+ + 4e − ઢાંચો:Eqm 2H2O | +1.23 | [1] |
| Cl2(g ) + 2e − ઢાંચો:Eqm 2Cl− | +1.36 | [1] |
| S 2O2– 8 + 2e − ઢાંચો:Eqm 2SO2− 4 |
+2.07 | [1] |
વિદ્યુત વિભાજનની પરિભાષામાં આ કોષ્ટકનું અર્થઘટન નીચે પ્રમાણે કરવું જોઇએ
નર્ન્સ્ટ ઇક્વેશનનો ઉપયોગ કરતાં ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલની ગણતરી આયનોની એકાગ્રતાની ગણતરી કરીને તાપમાન અને તેમાં સમાવિષ્ટ ઇલેક્ટ્રોનની ગણતરી કરીને કરી શકાય છે. પાણીનાં શુદ્ધિકરણ માટે (pH 7):
સરખામણીના આંકડાઓની ગણતરી પણ આ જ રીતે કરવામાં આવે છે. ઝિન્ક બ્રોમાઇડ માટે ZnBr2, ઝિન્ક ધાતુમાં રિડક્શન કરીને બ્રોમાઇન કરવા માટે +1.10 V.
ઉપરોક્ત આંકડાઓનો સાર એ છે કે પાણીના વિદ્યુત વિભાજન મારફતે હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન ઋણાગ્ર ઉપર થાય છે જ્યારે ઓક્સિજનનું ઉત્પાદન ધનધ્રુવ ઉપર થાય છે. ઘણા પ્રકારના પ્રયોગો ઉપરથી જાણવા મળ્યું છે કે ઝિન્ક ધાતુના ઓગળવાથી બ્રોમાઇનનું ઉત્પાદન થાય છે.[3]
નિવેદન એ છે કે ગણતરી કરવામાં આવેલાં પરિબળો થર્મોડાયનેમિક આધારિત પ્રતિક્રિયાઓનો જ સંકેત આપે છે. ખરા અર્થમાં ઘણા બધાં તત્વોની ગણતરી કરવામાં આવે છે. જેમ કે કોઈ પદાર્થની પ્રતિક્રિયામાં તેની ગતિનું પગથિયું સંકળાયેલું હોય તે બાબતને પણ ધ્યાનમાં લેવી જરૂરી બને છે. બધાં પરિબળો એકત્રિત થાય તેનો મતલબ એ છે કે ઘટાડા માટે અને પાણીના ઓક્સિડાઇઝેશન માટે જે અંદાજ લગાવવામાં આવ્યો હતો તેના કરતા વધારે સ્થિતિમાનની આવશ્યકતા છે. જેને વધારે પડતા સ્થિતિમાન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. પ્રયોગો દ્વારા એ જાણવા મળ્યું છે કે વધારે પડતા સ્થિતિમાનો સેલની ડિઝાઇન ઉપર ઇલેક્ટ્રોડ્ઝની પ્રકૃતિ ઉપર આધાર રાખે છે.
તટસ્થ (pH 7) સોડિયમ ક્લોરાઇડનાં વિદ્યુત વિભાજન માટે સોડિયમ આયનનું રિડક્શન કરવું એ થર્મોડાયનેમિક રીતે ખૂબ જ અઘરું કામ છે અને પાણીનું રિડક્શન થવાને કારણે તે દ્રાવણમાં હાઇડ્રોજન હાઇડ્રોક્સાઇડ આયન છોડીને જાય છે. ધનધ્રુવ ઉપર પાણીના ઓક્સિડેશન કરતા ક્લોરિનનું ઓક્સિડેશન જોવા મળે છે. કારણ કે ક્લોરાઇડથી ક્લોરિનનું ઓક્સિડાઇઝેશન કરવા માટે વધારે પડતા સ્થિતિમાનોનું પ્રમાણ પાણીમાંથી ઓક્સિજનનું ઓક્સિડાઇઝેશન કરવા માટે કરવામાં આવતા વધારે પડતા સ્થિતિમાન કરતાં ઓછું હોય છે. હાઇડ્રોક્સાઇડ આયન અને ઓગાળવામાં આવેલો ક્લોરિન ગેસ આગળ પ્રતિક્રિયા કરીને હિપોક્લોરસ એસિડનું નિર્માણ કરે છે. આ પ્રક્રિયામાંથી બનતાં પાણી યુક્ત દ્રાવણોને ઇલેક્ટ્રોલાઇઝ્ડ વોટર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. જેનો ઉપયોગ જંતુનાશક પદાર્થો અને સફાઇનાં દ્રાવણ તરીકે કરવામાં આવે છે.
પાણીના વિદ્યુત વિભાજનનો એક મહત્વનો ઉપયોગ હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન કરવા માટે થાય છે.
હાઇડ્રોજનનો ઉપયોગ ઈંધણ તરીકે અથવા તો પછી બળતણ કે હાઇડ્રોજન ઇંધણ સેલ્સ મારફતે ઇલેક્ટ્રીક મોટરને બળતણ આપીને આંતરિક એન્જિનનું સંચાલન કરવા માટે કરવામાં આવે છે. (જુઓ હાઇડ્રોજન વાહન ) હાલમાં વિશ્વના દેશો હાઇડ્રોકાર્બન આધારિત ઊર્જા ઉપર નભે છે તેમને પોતાનો દૃષ્ટકોણ બદલીને હાઇડ્રોજન આધારિત ઇંધણ ચલાવવા માટે સૂચન આપવામાં આવ્યું છે. (જુઓ હાઇડ્રોજન અર્થતંત્ર )
પાણીનાં વિદ્યુત વિભાજનની ઊર્જા ક્ષમતા ખૂબ જ અલગ હોય છે. ક્ષમતાનું માપન હાઇડ્રોજન સહિતનો વીજ ઊર્જાનો જથ્થો કેટલો ઉપયોગમાં લેવામાં આવ્યો છે તેના આધારે કરવામાં આવે છે. કેટલીક વીજ ઊર્જાને ગરમીમાં તબદિલ કરવામાં આવે છે જે ઉપયોગ વિનાની ગૌણપેદાશ બની જાય છે. કેટલાક અહેવાલો 50%થી 70%ની ક્ષમતા બતાવે છે. આ ક્ષમતા હાઇડ્રોજનની નીચી ગરમીને આધારિત હોય છે. હાઇડ્રોજનની નીચી ગરમીનું મૂલ્ય જ્યારે હાઇડ્રોજન બળીને નકારાત્મક સંપૂર્ણ થર્મલ ઊર્જા છોડે છે ત્યારે પાણીની વરાણ ગુપ્ત રીતે ગરમીનું સર્જન કરે તેને ગણવામાં આવે છે. જોકે આ હાઇડ્રોજનમાં રહેલી ઊર્જાનો કુલ જથ્થો નથી. તેથી ક્ષમતા એ ખૂબ જ કડક વ્યાખ્યા કરતા ઓછી હોય છે. અન્ય અહેવાલોમાં સિદ્ધાંતોને ટાંકતા જણાવવામાં આવ્યું છે કે વિદ્યુત વિભાજનની વધુમાં વધુ ક્ષમતા 80%થી 94%ની વચ્ચે રહેલી છે. સંગ્રહિત ૨૦૦૮-૦૨-૧૬ ના રોજ વેબેક મશિન. સિદ્ધાંતોમાં વધુમાં વધુ એટલે હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજન દ્વારા શોષવામાં આવેલી કુલ ઊર્જાના જથ્થાને ગણવામાં આવે છે. આ મૂલ્યમાંથી માત્ર વીજ ઊર્જામાંથી હાઇડ્રોજનની રસાયણ ઊર્જામાં તબદિલ થનારી ક્ષમતાના આંકડાઓ જ મળે છે. વીજળીનાં ઉત્પાદન માટે ગુમાવવામાં આવતી ઊર્જાને ગણવામાં આવતી નથી. દા. ત. વિદ્યુત મથકની વાત કરવામાં આવે તો તેમાં વિદ્યુત વિભાજન મારફતે અણુ હાઇડ્રોજન સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને ઊર્જાને તબદિલ કરવામાં આવે છે. જેમાં કુલ ક્ષમતા 25%થી 40%ની હોય છે.
એનઆરઈએલે નોંધ્યું હતું કે એક કિલોગ્રામ જેટલા હાઇડ્રોજન (અંદાજે એક ગેલન ગેસોલિન બરાબર)નું ઉત્પાદન પવન ઊર્જાના વિદ્યુત વિભાજન મારફતે થઈ શકે છે. જેની કિંમત ટૂંકાગાળા માટે 5.55 ડોલર અને લાંબાગાળા માટે 2.27 ડોલરની થશે.[4]
વિશ્વભરમાં ઉત્પાદિત થતા હાઇડ્રોજન ગેસ પૈકી ચાર ટકા જેટલો હાઇડ્રોજન વિદ્યુત વિભાજન મારફતે કરવામાં આવે છે. અને સામાન્યતઃ તેનો ઉપયોગ સ્થળ ઉપર જ કરી નાખવામાં આવે છે. હાઇડ્રોજનનો ઉપયોગ ખાતર માટે જરૂરી એમોનિયા બનાવવા માટે કરવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા હેબર પ્રક્રિયા મારફતે કરવામાં આવે છે. તેમજ ભારે પેટ્રોલિયમ સ્રોતોને નાના અંશોમાં તબદિલ કરવા માટે કરવામાં આવે છે જેને હાઇડ્રોક્રેકિંગ કહેવામાં આવે છે.
વિદ્યુત વિભાજનનાં વૈજ્ઞાનિક સંશોધકોમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે:
બેટરીના સંશોધકો:
તાજેતરમાં જ ભારે પાણીનું વિદ્યુત વિભાજન ફ્લેઇશમાન અને પોન્સ દ્વારા તેમનાં બહુચર્ચિત પ્રયોગમાં કરવામાં આવ્યું છે. આ પ્રયોગનાં પરિણામે અનિયમિત ઊર્જાનું નિર્માણ થયું અને શીત ગલનના દાવાને નામોશી લાગી હતી.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
