Elektrický prúd v elektrolytoch

Elektrický prúd v elektrolytoch vždy súvisí s prenosom hmoty. Napríklad v kovoch a polovodičoch sa hmota pri prechode prúdu neprenáša, pretože v týchto médiách sú elektróny a diery nosičmi prúdu, ale v elektrolytoch sa prenášajú. V elektrolytoch totiž ako nosiče voľných nábojov pôsobia kladne a záporne nabité ióny látky, nie elektróny alebo diery.

Roztavené zlúčeniny mnohých kovov, ako aj niektoré pevné látky, patria k elektrolytom. Ale hlavnými predstaviteľmi tohto typu vodičov, ktoré sú široko používané v technológii, sú vodné roztoky anorganických kyselín, zásad a solí.

Látka sa pri prechode elektrického prúdu elektrolytickým médiom uvoľňuje na elektródach. Tento jav sa nazýva elektrolýza… Keď elektrický prúd prechádza elektrolytom, kladne a záporne nabité ióny látky sa pohybujú súčasne v opačných smeroch.

Záporne nabité ióny (anióny) sa ponáhľajú na kladnú elektródu zdroja prúdu (anóda) a kladne nabité ióny (katióny) na jeho záporný pól (katódu).

Zdrojmi iónov vo vodných roztokoch kyselín, zásad a solí sú neutrálne molekuly, z ktorých niektoré sa štiepia pôsobením aplikovanej elektrickej sily. Tento jav štiepenia neutrálnych molekúl sa nazýva elektrolytická disociácia. Napríklad chlorid meďnatý CuCl2 sa rozkladá pri disociácii vo vodnom roztoku na chloridové ióny (záporne nabité) a medené (kladne nabité).

Keď sú elektródy pripojené k zdroju prúdu, elektrické pole začne pôsobiť na ióny v roztoku alebo tavenine, pretože anióny chlóru sa pohybujú na anódu (kladná elektróda) ​​a katióny medi na katódu (záporná elektróda).

Po dosiahnutí zápornej elektródy sú kladne nabité ióny medi neutralizované prebytočnými elektrónmi na katóde a stávajú sa neutrálnymi atómami, ktoré sú uložené na katóde. Po dosiahnutí kladnej elektródy záporne nabité ióny chlóru darujú každý jeden elektrón počas interakcie s kladným nábojom na anóde. V tomto prípade sa vytvorené neutrálne atómy chlóru spájajú v pároch za vzniku molekúl Cl2 a chlór sa uvoľňuje vo forme plynových bublín na anóde.

Často je proces elektrolýzy sprevádzaný interakciou produktov disociácie (nazýva sa to sekundárne reakcie), keď produkty rozkladu uvoľnené na elektródach interagujú s rozpúšťadlom alebo priamo s materiálom elektródy. Vezmime si napríklad elektrolýzu vodného roztoku síranu meďnatého (síran meďnatý – CuSO4).V tomto príklade budú elektródy vyrobené z medi.

Molekula síranu meďnatého disociuje za vzniku kladne nabitého iónu medi Cu + a záporne nabitého síranového iónu SO4-. Neutrálne atómy medi sú uložené ako pevná usadenina na katóde. Týmto spôsobom sa získa chemicky čistá meď.

Síranový ión daruje dva elektróny kladnej elektróde a stáva sa neutrálnym radikálom SO4, ktorý okamžite reaguje s medenou anódou (sekundárna anódová reakcia). Reakčným produktom na anóde je síran meďnatý, ktorý prechádza do roztoku.

Ukazuje sa, že pri prechode elektrického prúdu cez vodný roztok síranu meďnatého sa medená anóda jednoducho postupne rozpúšťa a meď sa vyzráža na katóde.V tomto prípade sa koncentrácia vodného roztoku síranu meďnatého nemení.

V roku 1833 anglický fyzik Michael Faraday v priebehu experimentálnych prác stanovil zákon elektrolýzy, ktorý je teraz po ňom pomenovaný.

Faradayov zákon umožňuje určiť množstvo primárnych produktov, ktoré sa uvoľňujú na elektródach počas elektrolýzy. Zákon hovorí nasledovné: "Hmotnosť m látky uvoľnenej na elektróde pri elektrolýze je priamo úmerná náboju Q, ktorý prešiel elektrolytom."

Faktor úmernosti k v tomto vzorci sa nazýva elektrochemický ekvivalent.

Hmotnosť látky, ktorá sa uvoľňuje na elektróde počas elektrolýzy, sa rovná celkovej hmotnosti všetkých iónov, ktoré prišli na túto elektródu:

Vzorec obsahuje náboj q0 a hmotnosť m0 iónu, ako aj náboj Q, ktorý prešiel elektrolytom. N je počet iónov, ktoré dorazili na elektródu, keď náboj Q prešiel cez elektrolyt.Preto sa pomer hmotnosti iónu m0 k jeho náboju q0 nazýva elektrochemický ekvivalent k.

Pretože náboj iónu sa číselne rovná súčinu valencie látky a elementárneho náboja, chemický ekvivalent možno znázorniť v tejto forme:

Kde: Na je Avogadrova konštanta, M je molárna hmotnosť látky, F je Faradayova konštanta.

V skutočnosti možno Faradayovu konštantu definovať ako množstvo náboja, ktoré musí prejsť cez elektrolyt, aby sa na elektróde uvoľnil jeden mól monovalentnej látky. Faradayov zákon elektrolýzy má potom podobu:

Fenomén elektrolýzy je široko používaný v modernej výrobe. Napríklad hliník, meď, vodík, oxid manganičitý a peroxid vodíka sa priemyselne vyrábajú elektrolýzou. Mnohé kovy sa získavajú z rúd a spracovávajú sa elektrolýzou (elektrorafinácia a elektroextrakcia).

Aj vďaka elektrolýze chemické zdroje prúdu… Elektrolýza sa používa pri čistení odpadových vôd (elektroextrakcia, elektrokoagulácia, elektroflotácia). Mnohé látky (kovy, vodík, chlór atď.) sa získavajú elektrolýzou na galvanické pokovovanie a galvanické pokovovanie.

Pozri tiež:Výroba vodíka elektrolýzou vody — technológia a zariadenia