Elektrický proud v elektrolytech

Elektrický proud v elektrolytech vždy souvisí s přenosem hmoty. Například v kovech a polovodičích se hmota při průchodu proudu nepřenáší, protože v těchto médiích jsou elektrony a díry nositeli proudu, ale v elektrolytech se přenášejí. V elektrolytech totiž působí kladně a záporně nabité ionty látky jako nositelé volných nábojů, vůbec ne elektrony nebo díry.

Roztavené sloučeniny mnoha kovů, stejně jako některé pevné látky, patří k elektrolytům. Ale hlavními představiteli tohoto typu vodičů, kteří jsou široce používáni v technologii, jsou vodné roztoky anorganických kyselin, zásad a solí.

Látka se při průchodu elektrického proudu elektrolytickým prostředím uvolňuje na elektrodách. Tento jev se nazývá elektrolýza… Při průchodu elektrického proudu elektrolytem se kladně a záporně nabité ionty látky pohybují současně v opačných směrech.

Záporně nabité ionty (anionty) spěchají ke kladné elektrodě zdroje proudu (anoda) a kladně nabité ionty (kationty) k jeho zápornému pólu (katodě).

Zdroje iontů ve vodných roztocích kyselin, zásad a solí jsou neutrální molekuly, z nichž některé se štěpí působením aplikované elektrické síly. Tento jev štěpení neutrálních molekul se nazývá elektrolytická disociace. Například chlorid měďnatý CuCl2 se při disociaci ve vodném roztoku rozkládá na chloridové ionty (záporně nabité) a měděné (kladně nabité).

Když jsou elektrody připojeny ke zdroji proudu, elektrické pole začne působit na ionty v roztoku nebo tavenině, protože anionty chloru se pohybují k anodě (kladná elektroda) a kationty mědi ke katodě (záporná elektroda).

Po dosažení záporné elektrody jsou kladně nabité ionty mědi neutralizovány přebytečnými elektrony na katodě a stávají se neutrálními atomy, které se ukládají na katodě. Po dosažení kladné elektrody, záporně nabité ionty chloru darují každý jeden elektron během interakce s kladným nábojem na anodě. V tomto případě se vzniklé neutrální atomy chloru spojují do párů za vzniku molekul Cl2 a chlor se uvolňuje ve formě plynových bublin na anodě.

Často je proces elektrolýzy doprovázen interakcí produktů disociace (říká se tomu sekundární reakce), kdy produkty rozkladu uvolněné na elektrodách interagují s rozpouštědlem nebo přímo s materiálem elektrody. Vezměme si například elektrolýzu vodného roztoku síranu měďnatého (síran měďnatý — CuSO4).V tomto příkladu budou elektrody vyrobeny z mědi.

Molekula síranu měďnatého disociuje za vzniku kladně nabitého iontu mědi Cu + a záporně nabitého síranového iontu SO4-. Neutrální atomy mědi jsou na katodě uloženy jako pevná usazenina. Tímto způsobem se získá chemicky čistá měď.

Síranový ion daruje dva elektrony kladné elektrodě a stává se neutrálním radikálem SO4, který okamžitě reaguje s měděnou anodou (sekundární anodová reakce). Reakčním produktem na anodě je síran měďnatý, který přechází do roztoku.

Ukazuje se, že při průchodu elektrického proudu vodným roztokem síranu měďnatého se měděná anoda jednoduše postupně rozpustí a měď se vysráží na katodě.V tomto případě se koncentrace vodného roztoku síranu měďnatého nemění.

V roce 1833 anglický fyzik Michael Faraday v průběhu experimentálních prací stanovil zákon elektrolýzy, který je nyní po něm pojmenován.

Faradayův zákon umožňuje určit množství primárních produktů, které se uvolňují na elektrodách během elektrolýzy. Zákon říká následující: "Hmotnost m látky uvolněné na elektrodě při elektrolýze je přímo úměrná náboji Q, který prošel elektrolytem."

Faktor úměrnosti k v tomto vzorci se nazývá elektrochemický ekvivalent.

Hmotnost látky, která se uvolňuje na elektrodě během elektrolýzy, se rovná celkové hmotnosti všech iontů, které přišly na tuto elektrodu:

Vzorec obsahuje náboj q0 a hmotnost m0 iontu a také náboj Q, který prošel elektrolytem. N je počet iontů, které dorazily na elektrodu, když náboj Q prošel elektrolytem.Proto se poměr hmotnosti iontu m0 k jeho náboji q0 nazývá elektrochemický ekvivalent k.

Vzhledem k tomu, že náboj iontu je číselně roven součinu valence látky a elementárního náboje, může být chemický ekvivalent reprezentován v následujícím tvaru:

Kde: Na je Avogadrova konstanta, M je molární hmotnost látky, F je Faradayova konstanta.

Ve skutečnosti lze Faradayovu konstantu definovat jako množství náboje, které musí projít elektrolytem, ​​aby se na elektrodě uvolnil jeden mol monovalentní látky. Faradayův zákon elektrolýzy má pak podobu:

Fenomén elektrolýzy je široce používán v moderní výrobě. Elektrolýzou se průmyslově vyrábí například hliník, měď, vodík, oxid manganičitý a peroxid vodíku. Mnoho kovů se získává z rud a zpracovává se elektrolýzou (elektrorafinace a elektroextrakce).

Také díky elektrolýze chemické zdroje proudu… Elektrolýza se používá při čištění odpadních vod (elektroextrakce, elektrokoagulace, elektroflotace). Řada látek (kovy, vodík, chlór atd.) se získává elektrolýzou pro galvanické pokovování a galvanické pokovování.

Viz také:Výroba vodíku elektrolýzou vody — technologie a zařízení