Elektromos áram az elektrolitokban

Az elektrolitokban lévő elektromos áram mindig az anyagátvitelhez kapcsolódik. A fémekben és a félvezetőkben például az áram áthaladásakor az anyag nem kerül átadásra, mert ezekben a közegekben az elektronok és a lyukak áramhordozók, de az elektrolitokban átkerülnek. Az elektrolitokban ugyanis az anyag pozitív és negatív töltésű ionjai szabad töltések hordozóiként működnek, egyáltalán nem elektronok vagy lyukak.

Számos fém olvadt vegyülete, valamint egyes szilárd anyagok az elektrolitokhoz tartoznak. De az ilyen típusú vezetők fő képviselői, amelyeket a technológiában széles körben használnak, a szervetlen savak, bázisok és sók vizes oldatai.

Az anyag, amikor elektromos áram halad át az elektrolit közegen, az elektródákon szabadul fel. Ezt a jelenséget az ún elektrolízis… Amikor elektromos áram halad át az elektroliton, az anyag pozitív és negatív töltésű ionjai egyidejűleg ellentétes irányba mozognak.

A negatív töltésű ionok (anionok) az áramforrás pozitív elektródájához (anódhoz), a pozitív töltésű ionok (kationok) pedig a negatív pólusához (katódhoz) rohannak.

A savak, bázisok és sók vizes oldatainak ionforrásai semleges molekulák, amelyek egy része az alkalmazott elektromos erő hatására szétesik. A semleges molekulák felhasadásának ezt a jelenségét elektrolitikus disszociációnak nevezik. Például a réz-klorid CuCl2 vizes oldatban történő disszociáció során kloridionokra (negatív töltésű) és rézre (pozitív töltésű) bomlik.

Amikor az elektródákat áramforráshoz csatlakoztatják, az elektromos tér az oldatban vagy az olvadékban lévő ionokra kezd hatni, mivel a klóranionok az anódhoz (pozitív elektród), a rézkationok pedig a katódra (negatív elektród) mozognak.

A negatív elektródhoz érve a pozitív töltésű rézionokat a katódon lévő felesleges elektronok semlegesítik, és semleges atomokká válnak, amelyek a katódon rakódnak le. A negatív töltésű klórionok a pozitív elektródhoz érve egy-egy elektront adnak át az anód pozitív töltésével való kölcsönhatás során. Ebben az esetben a keletkezett semleges klóratomok párban egyesülve Cl2-molekulákat képeznek, és a klór gázbuborékok formájában szabadul fel az anódon.

Az elektrolízis folyamatát gyakran disszociációs termékek kölcsönhatása kíséri (ezt másodlagos reakcióknak nevezzük), amikor az elektródákon felszabaduló bomlástermékek kölcsönhatásba lépnek az oldószerrel vagy közvetlenül az elektród anyagával. Vegyük például a réz-szulfát (réz-szulfát – CuSO4) vizes oldatának elektrolízisét.Ebben a példában az elektródák rézből készülnek.

A réz-szulfát molekula disszociál, így pozitív töltésű rézion Cu + és negatív töltésű szulfát ion SO4- keletkezik. A semleges rézatomok szilárd lerakódásként rakódnak le a katódon. Ily módon vegytiszta rezet nyernek.

A szulfátion két elektront ad át a pozitív elektródnak, és a semleges SO4 gyökké válik, amely azonnal reagál a réz anóddal (másodlagos anódreakció). Az anód reakcióterméke a réz-szulfát, amely oldatba megy.

Kiderült, hogy amikor elektromos áram halad át a réz-szulfát vizes oldatán, a réz anód egyszerűen fokozatosan feloldódik, és a réz kicsapódik a katódon, ebben az esetben a réz-szulfát vizes oldatának koncentrációja nem változik.

1833-ban Michael Faraday angol fizikus kísérleti munkája során megalkotta az elektrolízis törvényét, amelyet ma róla neveztek el.

Faraday törvénye lehetővé teszi az elektrolízis során az elektródákon felszabaduló elsődleges termékek mennyiségének meghatározását. A törvény a következőket mondja ki: "Az elektrolízis során az elektródán felszabaduló anyag m tömege egyenesen arányos az elektroliton áthaladó Q töltéssel."

A képletben szereplő k arányossági tényezőt elektrokémiai ekvivalensnek nevezzük.

Az elektrolízis során az elektródán felszabaduló anyag tömege megegyezik az ehhez az elektródához érkezett összes ion teljes tömegével:

A képlet tartalmazza egy ion q0 töltését és m0 tömegét, valamint az elektroliton áthaladó töltést Q. N azon ionok száma, amelyek az elektródára érkeztek, amikor a Q töltés áthaladt az elektroliton.Ezért az m0 ion tömegének és q0 töltésének arányát k elektrokémiai egyenértékének nevezzük.

Mivel egy ion töltése számszerűen egyenlő az anyag vegyértékének és az elemi töltés szorzatával, a kémiai ekvivalens a következő formában ábrázolható:

Ahol: Na az Avogadro-állandó, M az anyag moláris tömege, F a Faraday-állandó.

Valójában a Faraday-állandó úgy definiálható, mint az a töltésmennyiség, amelynek át kell haladnia az elektroliton, hogy egy mól egyértékű anyagot szabadítson fel az elektródán. Faraday elektrolízistörvénye ekkor a következőképpen alakul:

Az elektrolízis jelenségét széles körben alkalmazzák a modern gyártásban. Iparilag elektrolízissel állítják elő például az alumíniumot, a rezet, a hidrogént, a mangán-dioxidot és a hidrogén-peroxidot. Sok fémet vonnak ki az ércekből, és elektrolízissel dolgoznak fel (elektrofinomítás és elektroextrakció).

Ezenkívül az elektrolízisnek köszönhetően kémiai áramforrások… Az elektrolízist a szennyvízkezelésben használják (elektroextrakció, elektrokoaguláció, elektroflotáció). Sok anyagot (fémeket, hidrogént, klórt stb.) elektrolízissel nyernek galvanizáláshoz és galvanizáláshoz.

Lásd még:Hidrogén előállítása víz elektrolízisével – technológia és berendezések