Elektrolyse (Dansk)

elektrolyse er passage af en direkte elektrisk strøm gennem en elektrolyt, der producerer kemiske reaktioner ved elektroderne og nedbrydning af materialerne.de vigtigste komponenter, der kræves for at opnå elektrolyse, er en elektrolyt, elektroder og en ekstern strømkilde. En skillevæg (f.eks. en ionbyttermembran eller en saltbro) er valgfri for at forhindre, at produkterne spreder sig i nærheden af den modsatte elektrode.

elektrolytten er et ledende ionisk kemisk stof, der indeholder frie ioner og bærer elektrisk strøm (f. eks., en ionledende polymer, opløsning eller flydende ionisk forbindelse). Hvis ionerne ikke er mobile, som i de fleste faste salte, kan elektrolyse ikke forekomme. En flydende elektrolyt er produceret af:

• Opløsning eller reaktion på en ionisk forbindelse med et opløsningsmiddel (vand) til at producere mobile ioner
• En ionisk sammensatte smeltet af varme

De elektroder, der er nedsænket adskilt af en afstand, sådan at en strøm mellem dem gennem elektrolytten, og er forbundet til en strømkilde, som fuldender den elektriske kredsløb., En jævnstrøm leveret af strømkilden driver reaktionen, der forårsager ioner i elektrolytten, der tiltrækkes mod den respektive modsat ladede elektrode.

elektroder af metal, grafit og halvledermateriale anvendes i vid udstrækning. Valg af egnet elektrode afhænger af kemisk reaktivitet mellem elektroden og elektrolyt og fremstillingsomkostninger. Historisk set blev ikke-reaktive anoder ønsket til elektrolyse, grafit (kaldet plumbago i Faradays tid) eller platin valgt. De viste sig at være nogle af de mindst reaktive materialer til anoder., Platin eroderer meget langsomt sammenlignet med andre materialer, og grafit smuldrer og kan producere kuldio .id i vandige opløsninger, men deltager ellers ikke i reaktionen. Katoder kan være fremstillet af det samme materiale, eller de kan være fremstillet af en mere reaktiv, da anodeslitage er større på grund af O .idation ved anoden.

proces med elektrolyseredit

nøgleprocessen for elektrolyse er udvekslingen af atomer og ioner ved fjernelse eller tilsætning af elektroner på grund af den påførte strøm., De ønskede elektrolyseprodukter er ofte i en anden fysisk tilstand end elektrolytten og kan fjernes ved fysiske processer (f.eks. ved at opsamle gas over en elektrode eller udfælde et produkt ud af elektrolytten).

mængden af produkterne er proportional med strømmen, og når to eller flere elektrolytiske celler er forbundet i serie til den samme strømkilde, er produkterne produceret i cellerne proportional med deres ækvivalente vægt. Disse er kendt som Faradays love for elektrolyse.

hver elektrode tiltrækker ioner, der er af den modsatte ladning., Positivt ladede ioner (kationer) bevæger sig mod den elektronforsyende (negative) katode. Negativt ladede ioner (anioner) bevæger sig mod den elektron-ekstraherende (positive) anode. I denne proces introduceres elektroner effektivt ved katoden som et reaktant og fjernes ved anoden som et produkt. I kemi kaldes tabet af elektroner o .idation, mens elektronforstærkning kaldes reduktion.

når neutrale atomer eller molekyler, såsom dem på overfladen af en elektrode, får eller taber elektroner, bliver de ioner og kan opløses i elektrolytten og reagere med andre ioner.,

Når ioner får eller mister elektroner og bliver neutrale, kan de danne forbindelser, der adskiller sig fra elektrolytten. Positive metalioner som Cu2 + deponeres på katoden i et lag. Betingelserne for dette er galvanisering, electroinninginning, og electrorefining.

Når en ion får eller mister elektroner uden at blive neutral, ændres dens elektroniske ladning i processen.

for eksempel producerer elektrolyse af saltlage hydrogen og klorgasser, som bobler fra elektrolytten og opsamles., Den første samlede reaktion er således:

2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

reaktion på anoden resultater i klor gas fra klor-ioner:

2 Cl− → Cl2 + 2 e−

Den reaktion ved katoden resultater inden for brint-gas og hydroxid ioner:

2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−

Uden en partition mellem elektroderne, OH – − ioner produceret ved katoden er gratis at diffundere gennem elektrolytten til anoden., Som elektrolyt bliver mere grundlæggende skyldes, at produktionen af OH−, mindre Cl2 fremgår af den løsning, som det begynder at reagerer med calciumhydroxid, der producerer lithiumhypochlorit på anoden:

Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H2O

mere mulighed for at Cl2 er nødt til at interagere med NaOH i den løsning, de mindre Cl2 opstår på overfladen af løsningen og hurtigere produktion af lithiumhypochlorit skrider frem. Dette afhænger af faktorer som opløsningstemperatur, hvor lang tid Cl2-molekylet er i kontakt med opløsningen og koncentrationen af NaOH.,

Ligeledes, som lithiumhypochlorit stigninger i koncentrationen, chlorater er fremstillet af:

3 NaClO → NaClO3 + 2 NaCl

Andre reaktioner forekomme, såsom selv-ionisering af vand og nedbrydning af lithiumhypochlorit ved katoden, er den hastighed, sidstnævnte afhænger af faktorer, såsom diffusion og overfladearealet af katoden, der er i kontakt med elektrolytten.,

Nedbrydningspotentialedit

Nedbrydningspotentiale eller nedbrydningsspænding refererer til den minimale spænding (forskel i elektrodepotentiale) mellem anode og katode i en elektrolytisk celle, der er nødvendig for at elektrolyse kan forekomme.

den spænding, ved hvilken elektrolyse er termodynamisk foretrukket, er forskellen mellem elektrodepotentialerne som beregnet ved hjælp af Nernst-ligningen. Anvendelse af yderligere spænding, benævnt overpotentiel, kan øge reaktionshastigheden og er ofte nødvendig over den termodynamiske værdi., Det er især nødvendigt for elektrolysereaktioner, der involverer gasser, såsom ilt, hydrogen eller chlor.

O .idation og reduktion ved elektrodesedit

O .idation af ioner eller neutrale molekyler forekommer ved anoden. Det er For eksempel muligt at oxidere jern-ioner til jern (iii) ioner ved anoden:

Fe2+
(aq) → Fe3+
(aq) + e−

Reduktion af ioner eller neutrale molekyler opstår ved katoden. Det er muligt at reducere ferricyanid ioner til at ferrocyanide ioner ved katoden:

Fe(CN)3-
6 + e− → Fe(CN)4-
6

Neutrale molekyler kan også reagere ved enten af elektroderne., For eksempel: p-Benzoquinon kan reduceres til hydroquinon ved katoden:

+ 2 e− + 2 H+ →

I det sidste eksempel, H+ – ioner (brintioner) også tage del i den reaktion, og er fastsat af syre i opløsningen, eller ved at opløsningsmidlet i sig selv (vand, methanol, osv.). Elektrolysereaktioner, der involverer H + – ioner, er ret almindelige i sure opløsninger. I vandige alkaliske opløsninger er reaktioner, der involverer OH – (hydro .idioner) almindelige.

undertiden o .ideres eller reduceres opløsningsmidlerne selv (normalt vand) ved elektroderne., Det er endda muligt at have elektrolyse involverer gasser, f.ved hjælp af en gasdiffusion elektrode.

energiændringer under elektrolyseredit

mængden af elektrisk energi, der skal tilsættes, svarer til ændringen i Gibbs fri energi af reaktionen plus tabene i systemet. Tabene kan (i teorien) være vilkårligt tæt på nul, så den maksimale termodynamiske effektivitet er lig med entalpi-ændringen divideret med reaktionens frie energiændring., I de fleste tilfælde er den elektriske indgang større end reaktionens entalpiændring, så noget energi frigives i form af varme. I nogle tilfælde, for eksempel ved elektrolyse af damp til brint og ilt ved høj temperatur, er det modsatte sandt, og varmeenergi absorberes. Denne varme absorberes fra omgivelserne, og opvarmningsværdien af det producerede brint er højere end den elektriske indgang.

VariationsEdit

pulserende strøm resulterer i produkter, der er forskellige fra DC., For eksempel øger pulserende forholdet mellem o .on og O .ygen produceret ved anoden ved elektrolyse af en vandig sur opløsning, såsom fortyndet svovlsyre. Elektrolyse af ethanol med pulserende strøm udvikler et aldehyd i stedet for primært en syre.

Relateret techniqueEdit

følgende teknikker er relateret til elektrolyse:

• Elektrokemiske celler, herunder brint brændselscelle, skal du bruge forskelle i Standard elektrode potentiale til at generere et elektrisk potentiale, som giver nyttige magt., Selvom relateret til interaktionen mellem ioner og elektroder, elektrolyse og driften af elektrokemiske celler er ganske forskellige. Imidlertid bør en kemisk celle ikke ses som udfører elektrolyse i omvendt.