Sähkövirta elektrolyyteissä

Elektrolyyttien sähkövirta liittyy aina aineen siirtymiseen. Esimerkiksi metalleissa ja puolijohteissa niiden läpi kulkeva aine ei siirry, koska näissä väliaineissa elektronit ja reiät ovat virrankantajia, mutta elektrolyyteissä ne siirtyvät. Tämä johtuu siitä, että elektrolyyteissä aineen positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet ionit toimivat vapaiden varausten kantajina, eivät ollenkaan elektroneina tai aukkoina.

Monien metallien sulat yhdisteet sekä jotkut kiinteät aineet kuuluvat elektrolyytteihin. Mutta tämän tyyppisten johtimien tärkeimmät edustajat, joita käytetään laajalti tekniikassa, ovat epäorgaanisten happojen, emästen ja suolojen vesiliuokset.

Kun sähkövirta kulkee elektrolyyttiväliaineen läpi, aine vapautuu elektrodeille. Tätä ilmiötä kutsutaan elektrolyysi… Kun sähkövirta kulkee elektrolyytin läpi, aineen positiivisesti ja negatiivisesti varautuneet ionit liikkuvat samanaikaisesti vastakkaisiin suuntiin.

Negatiivisesti varautuneet ionit (anionit) syöksyvät virtalähteen positiiviselle elektrodille (anodi) ja positiivisesti varautuneet ionit (kationit) sen negatiiviseen napaan (katodi).

Ionilähteet happojen, emästen ja suolojen vesiliuoksissa ovat neutraaleja molekyylejä, joista osa hajoaa kohdistetun sähkövoiman vaikutuksesta. Tätä neutraalien molekyylien pilkkoutumisilmiötä kutsutaan elektrolyyttiseksi dissosiaatioksi. Esimerkiksi kuparikloridi CuCl2 hajoaa dissosioituessaan vesiliuoksessa kloridi-ioneiksi (negatiivisesti varautuneiksi) ja kupariksi (positiivisesti varautuneiksi).

Kun elektrodit liitetään virtalähteeseen, sähkökenttä alkaa vaikuttaa liuoksessa tai sulassa oleviin ioneihin, kun kloorianionit siirtyvät anodille (positiivinen elektrodi) ja kupakationit katodille (negatiivinen elektrodi).

Saavuttuaan negatiivisen elektrodin positiivisesti varautuneet kupari-ionit neutraloivat katodin ylimääräiset elektronit ja niistä tulee neutraaleja atomeja, jotka kerrostuvat katodille. Saavuttuaan positiivisen elektrodin negatiivisesti varautuneet kloori-ionit luovuttavat kukin yhden elektronin vuorovaikutuksessa anodin positiivisen varauksen kanssa. Tässä tapauksessa muodostuneet neutraalit klooriatomit yhdistyvät pareittain muodostaen Cl2-molekyylejä, ja klooria vapautuu kaasukuplien muodossa anodilla.

Usein elektrolyysiprosessiin liittyy dissosiaatiotuotteiden vuorovaikutus (tätä kutsutaan sekundäärireaktioksi), kun elektrodeille vapautuvat hajoamistuotteet ovat vuorovaikutuksessa liuottimen tai suoraan elektrodimateriaalin kanssa. Otetaan esimerkiksi kuparisulfaatin (kuparisulfaatti - CuSO4) vesiliuoksen elektrolyysi.Tässä esimerkissä elektrodit on valmistettu kuparista.

Kuparisulfaattimolekyyli dissosioituu muodostaen positiivisesti varautuneen kupari-ionin Cu + ja negatiivisesti varautuneen sulfaatti-ionin SO4-. Neutraalit kupariatomit kerrostuvat kiinteänä kerrostuksena katodille. Tällä tavalla saadaan kemiallisesti puhdasta kuparia.

Sulfaatti-ioni luovuttaa kaksi elektronia positiiviselle elektrodille ja muuttuu neutraaliksi radikaaliksi SO4, joka reagoi välittömästi kuparianodin kanssa (sekundaarinen anodireaktio). Reaktiotuote anodilla on kuparisulfaattia, joka liukenee.

Osoittautuu, että kun sähkövirta kulkee kuparisulfaatin vesiliuoksen läpi, kuparianodi yksinkertaisesti liukenee vähitellen ja kupari saostuu katodille.Tässä tapauksessa kuparisulfaatin vesiliuoksen pitoisuus ei muutu.

Vuonna 1833 englantilainen fyysikko Michael Faraday loi kokeellisen työn aikana elektrolyysin lain, joka on nyt nimetty hänen mukaansa.

Faradayn lain avulla voit määrittää primäärituotteiden määrän, joka vapautuu elektrodeihin elektrolyysin aikana. Laki sanoo seuraavaa: "Elektrodille elektrolyysin aikana vapautuvan aineen massa m on suoraan verrannollinen elektrolyytin läpi kulkeneeseen varaukseen Q."

Tämän kaavan suhteellisuustekijää k kutsutaan sähkökemialliseksi ekvivalentiksi.

Aineen massa, joka vapautuu elektrodille elektrolyysin aikana, on yhtä suuri kuin kaikkien tälle elektrodille saapuneiden ionien kokonaismassa:

Kaava sisältää ionin varauksen q0 ja massan m0 sekä elektrolyytin läpi kulkeneen varauksen Q. N on elektrodille saapuneiden ionien lukumäärä, kun varaus Q kulki elektrolyytin läpi.Siksi ionin m0 massan suhdetta sen varaukseen q0 kutsutaan k:n sähkökemialliseksi ekvivalentiksi.

Koska ionin varaus on numeerisesti yhtä suuri kuin aineen valenssin ja alkuainevarauksen tulo, kemiallinen ekvivalentti voidaan esittää seuraavassa muodossa:

Missä: Na on Avogadron vakio, M on aineen moolimassa, F on Faradayn vakio.

Itse asiassa Faraday-vakio voidaan määritellä varauksen määräksi, jonka täytyy kulkea elektrolyytin läpi vapauttaakseen yksi mooli monovalenttista ainetta elektrodilla. Faradayn elektrolyysin laki saa tällöin seuraavan muodon:

Elektrolyysiilmiötä käytetään laajasti nykyaikaisessa tuotannossa. Esimerkiksi alumiinia, kuparia, vetyä, mangaanidioksidia ja vetyperoksidia valmistetaan teollisesti elektrolyysillä. Monet metallit uutetaan malmeista ja käsitellään elektrolyysillä (sähköpuhdistus ja sähköuutto).

Lisäksi elektrolyysin ansiosta kemialliset virtalähteet… Elektrolyysiä käytetään jäteveden käsittelyssä (sähköuutto, sähkökoagulaatio, elektroflotaatio). Monet aineet (metallit, vety, kloori jne.) saadaan elektrolyysillä galvanoimiseen ja galvanointiin.

Katso myös:Vedyn tuotanto veden elektrolyysillä — tekniikka ja laitteet