Električna struja u elektrolitima

Električna struja u elektrolitima uvijek je povezana s prijenosom tvari. U metalima i poluvodičima, na primjer, materija kada kroz njih prolazi struja se ne prenosi, jer su u tim medijima elektroni i šupljine nositelji struje, ali u elektrolitima se oni prenose. To je zato što u elektrolitima pozitivno i negativno nabijeni ioni tvari djeluju kao nositelji slobodnih naboja, a ne elektroni ili šupljine uopće.

U elektrolite spadaju rastaljeni spojevi mnogih metala, kao i nekih krutih tvari. Ali glavni predstavnici ove vrste vodiča, koji se široko koriste u tehnologiji, su vodene otopine anorganskih kiselina, baza i soli.

Tvar se, kada električna struja prolazi kroz medij elektrolita, oslobađa na elektrodama. Ova pojava se zove elektroliza… Kada električna struja prolazi kroz elektrolit, pozitivno i negativno nabijeni ioni tvari kreću se istovremeno u suprotnim smjerovima.

Negativno nabijeni ioni (anioni) hrle na pozitivnu elektrodu izvora struje (anodu), a pozitivno nabijeni ioni (kationi) na njen negativni pol (katoda).

Izvori iona u vodenim otopinama kiselina, baza i soli su neutralne molekule od kojih se neke cijepaju pod djelovanjem primijenjene električne sile. Ovaj fenomen cijepanja neutralnih molekula naziva se elektrolitička disocijacija. Na primjer, bakrov klorid CuCl2 razlaže se disocijacijom u vodenoj otopini na kloridne ione (negativno nabijene) i bakar (pozitivno nabijene).

Kada su elektrode spojene na izvor struje, električno polje počinje djelovati na ione u otopini ili talini, jer anioni klora prelaze na anodu (pozitivna elektroda), a kationi bakra na katodu (negativna elektroda).

Kada dođu do negativne elektrode, pozitivno nabijeni ioni bakra neutraliziraju se viškom elektrona na katodi i postaju neutralni atomi koji se talože na katodi. Kada dođu do pozitivne elektrode, negativno nabijeni ioni klora daju po jedan elektron tijekom interakcije s pozitivnim nabojem na anodi. U tom slučaju formirani neutralni atomi klora spajaju se u parove i tvore molekule Cl2, a klor se oslobađa u obliku plinskih mjehurića na anodi.

Često je proces elektrolize popraćen interakcijom produkata disocijacije (to se naziva sekundarnim reakcijama), kada produkti raspadanja oslobođeni na elektrodama stupaju u interakciju s otapalom ili izravno s materijalom elektrode. Uzmimo, na primjer, elektrolizu vodene otopine bakrenog sulfata (bakreni sulfat — CuSO4).U ovom primjeru, elektrode će biti izrađene od bakra.

Molekula bakrenog sulfata disocira i formira pozitivno nabijeni bakreni ion Cu + i negativno nabijeni sulfatni ion SO4-. Neutralni atomi bakra talože se kao čvrsti talog na katodi. Na taj način se dobiva kemijski čisti bakar.

Sulfatni ion daje dva elektrona pozitivnoj elektrodi i postaje neutralni radikal SO4, koji odmah reagira s bakrenom anodom (reakcija sekundarne anode). Produkt reakcije na anodi je bakrov sulfat, koji prelazi u otopinu.

Ispada da kada električna struja prolazi kroz vodenu otopinu bakrenog sulfata, bakrena anoda se jednostavno postupno otapa i bakar se taloži na katodi.U ovom slučaju koncentracija vodene otopine bakrenog sulfata se ne mijenja.

Godine 1833. engleski fizičar Michael Faraday je tijekom eksperimentalnog rada ustanovio zakon elektrolize koji se danas zove po njemu.

Faradayev zakon omogućuje određivanje količine primarnih proizvoda koji se oslobađaju na elektrodama tijekom elektrolize. Zakon kaže sljedeće: "Masa m tvari koja se oslobađa na elektrodi tijekom elektrolize izravno je proporcionalna naboju Q koji je prošao kroz elektrolit."

Faktor proporcionalnosti k u ovoj formuli naziva se elektrokemijski ekvivalent.

Masa tvari koja se oslobađa na elektrodi tijekom elektrolize jednaka je ukupnoj masi svih iona koji su došli na ovu elektrodu:

Formula sadrži naboj q0 i masu m0 iona, kao i naboj koji je prošao kroz elektrolit Q. N je broj iona koji je stigao na elektrodu kada je naboj Q prošao kroz elektrolit.Stoga se omjer mase iona m0 i njegovog naboja q0 naziva elektrokemijski ekvivalent k.

Budući da je naboj iona brojčano jednak umnošku valencije tvari i elementarnog naboja, kemijski ekvivalent može se prikazati u sljedećem obliku:

Gdje je: Na Avogadrova konstanta, M molarna masa tvari, F Faradayeva konstanta.

Zapravo, Faradayeva konstanta može se definirati kao količina naboja koja mora proći kroz elektrolit da bi se oslobodio jedan mol jednovalentne tvari na elektrodi. Faradayev zakon elektrolize tada ima oblik:

Fenomen elektrolize naširoko se koristi u modernoj proizvodnji. Na primjer, aluminij, bakar, vodik, mangan dioksid i vodikov peroksid industrijski se proizvode elektrolizom. Mnogi se metali izdvajaju iz ruda i prerađuju elektrolizom (elektrorafinacija i elektroekstrakcija).

Također, zahvaljujući elektrolizi, kemijski izvori struje… Elektroliza se koristi u obradi otpadnih voda (elektroekstrakcija, elektrokoagulacija, elektroflotacija). Mnoge tvari (metali, vodik, klor itd.) dobivaju se elektrolizom za galvanizaciju i galvanizaciju.

Vidi također:Proizvodnja vodika elektrolizom vode — tehnologija i oprema