Elektrolyysi

Elektrolyysi kulkee suoran sähkövirran avulla elektrolyytti tuottaa kemiallisia reaktioita elektrodit ja hajoaminen materiaaleja.

tärkeimmät elektrolyysin aikaansaamiseksi tarvittavat komponentit ovat elektrolyytti, elektrodit ja ulkoinen virtalähde. Osio (esim. ioni-vaihto-kalvo tai suolaa bridge) on valinnainen pitää tuotteita hajottavaa läheisyydessä vastapäätä elektrodi.

elektrolyytti on sähköä johtavaa ionic kemiallinen aine, joka sisältää vapaita ioneja ja kuljettaa sähkövirta (esim., ionijohtava polymeeri, liuos tai nestemäinen ioniyhdiste). Jos ionit eivät ole liikkuvia, kuten useimmissa kiinteissä suoloissa, elektrolyysi ei voi tapahtua. Nestemäinen elektrolyytti on valmistettu:

• Liuotuksessa tai reaktio ionisen yhdisteen kanssa liuottimen (kuten vesi) tuottaa mobiili-ioneja
• ioninen yhdiste sulanut kuumentamalla

elektrodit upotetaan erotettu etäisyys siten, että virta kulkee välillä läpi elektrolyytti ja on liitetty virtalähteeseen, joka täydentää virtapiirin., Suora nykyinen toimittaman virtalähteen asemat reaktio aiheuttaa ioneja elektrolyytin olla houkutellut kohti kunkin vastakkaisesti veloitetaan elektrodi.

metallista, grafiitista ja puolijohdemateriaalista valmistettuja elektrodeja käytetään laajalti. Sopivan elektrodin valinta riippuu elektrodin ja elektrolyytin kemiallisesta reaktiivisuudesta ja valmistuskustannuksista. Historiallisesti, kun elektrolyysissä haluttiin ei-reaktiivisia anodeja, valittiin grafiitti (jota Faradayn aikana kutsuttiin plumbagoksi) tai platina. Niiden havaittiin olevan anodien vähiten reaktiivisia materiaaleja., Platinum heikentää hyvin hitaasti verrattuna muihin materiaaleihin, ja grafiitti murenee ja voi tuottaa hiilidioksidia vesiliuoksena, mutta muuten ei osallistu reaktioon. Katodit voidaan tehdä samasta aineesta tai ne voidaan valmistaa reaktiivisemmasta, koska anodien kuluminen on suurempaa anodissa tapahtuvan hapettumisen vuoksi.

Prosessi electrolysisEdit

keskeinen prosessi elektrolyysin on vaihto atomien ja ionien poistamalla tai lisäämällä elektroneja, koska sovellettavat nykyinen., Halutut tuotteet elektrolyysin ovat usein erilaiset fyysiset valtion elektrolyytti ja voidaan poistaa fysikaaliset prosessit (esim. keräämällä kaasun edellä elektrodi tai saostamalla tuote ulos elektrolyytti).

tuotteiden määrä on suhteessa nykyiseen, ja kun kaksi tai useampi elektrolyyttinen solut on kytketty sarjaan samaan virtalähteeseen, tuotteet on tuotettu solut ovat suhteessa niiden paino on sama. Nämä tunnetaan Faradayn elektrolyysilakeina.

jokainen elektrodi vetää puoleensa vastakkaista varausta olevia ioneja., Positiivisesti varautuneet ionit (kationit) liikkuvat kohti electron-providing (negatiivinen) katodi. Negatiivisesti varautuneet ionit (anionit) liikkuvat kohti elektronin erottavaa (positiivista) anodia. Tässä prosessissa elektronit kulkeutuvat tehokkaasti katodiin reaktanttina ja poistuvat anodissa tuotteena. Kemian, tappio elektroneja kutsutaan hapettumista, kun taas elektroni saada kutsutaan vähentäminen.

Kun neutraaleja atomeja tai molekyylejä, kuten pinta-elektrodi, saavat tai menettävät elektroneja, ne tulevat ionit voivat liueta elektrolyytti ja reagoida muiden ionien kanssa.,

Kun ionit saavat tai menettävät elektroneja, ja tullut neutraali, ne voivat muodostaa yhdisteitä, jotka erottaa elektrolyytti. Positiiviset metalli-ionit, kuten Cu2+, sitoutuvat katodiin kerroksittain. Ehdot tähän ovat galvanointi, electrowinning ja electrorefining.

kun ioni saavuttaa tai menettää elektroneja muuttumatta neutraaliksi, sen elektroninen varaus muuttuu prosessissa.

esimerkiksi elektrolyysin suolavedessä tuottaa vetyä ja klooria kaasuja, jotka kupla elektrolyytti ja kerätään., Ensimmäinen yleinen reaktio on siis:

2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

reaktio anodi tuloksia kloori kaasua kloori-ionit:

2 Cl− → Cl2 + 2 e−

reaktio katodi tuloksia vedyn kaasu-ja hydroksidi-ioneja:

2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−

Ilman osio elektrodien välillä, OH− ioneja tuotettu katodi ovat ilmaisia levittämään koko elektrolyytti anodi., Koska akkuneste tulee enemmän perus koska tuotannon OH− vähemmän Cl2 syntyy ratkaisu, koska se alkaa reagoida hydroksidi tuottaa hypokloriitti anodi:

Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H2O

lisää mahdollisuutta Cl2 on vuorovaikutuksessa NaOH-liuoksessa, sitä vähemmän Cl2 syntyy pinnalla ratkaisu ja nopeammin tuotannon hypokloriitti edetessä. Tämä riippuu tekijöistä, kuten liuoksen lämpötilasta, cl2-molekyylin kosketusajasta liuoksen kanssa ja NaOH: n pitoisuudesta.,

Samoin kuin hypokloriitti lisää keskittymistä, kloraatit ovat valmistettu niistä:

3 NaClO → NaClO3 + 2 NaCl

Muita reaktioita, kuten self-ionisaatio vettä ja hajoaminen hypokloriitti katodi, korko jälkimmäinen riippuu monista tekijöistä, kuten diffuusio ja pinta-ala katodi kosketuksissa elektrolyytti.,

Hajoaminen potentialEdit

mahdollinen Hajoaminen tai hajoaminen jännite viittaa pienin jännite (ero elektrodin potentiaali) välillä anodi ja katodi on electrolytic solu, joka tarvitaan elektrolyysin tapahtua.

jännite, jolla elektrolyysi on termodynaamisesti edullinen, on Nernst-yhtälöllä laskettujen elektrodipotentiaalien erotus. Soveltamalla ylimääräisen jännitteen, kutsutaan overpotential, voi lisätä reaktionopeutta ja tarvitaan usein edellä termodynaaminen arvo., Se on erityisen tarpeen elektrolyysi reaktioita, joissa kaasuja, kuten happea, vetyä tai klooria.

hapettuminen ja pelkistyminen elektrodeseditillä

ionien tai neutraalien molekyylien hapettuminen tapahtuu anodissa. Esimerkiksi, on mahdollista hapettaa rauta-ioneja rauta-ioneja anodi:

Fe2+
(aq) → Fe3+
(aq) + e−

Vähentäminen ionien ja neutraalien molekyylien tapahtuu katodi. Se on mahdollista vähentää ferrisyanidi ioneja ferrocyanide ioneja katodi:

Fe(CN)3-
6 + e− → Fe(CN)4-
6

Neutraali molekyylit voivat myös reagoida joko elektrodien., Esimerkiksi: p-Bentsokinoni voidaan vähentää hydrokinoni katodi:

+ 2 e− + 2 H+ →

edellisessä esimerkissä, H+ – ioneja (vety-ioneja) myös osallistua reaktio ja on esittänyt happo ratkaisu, tai itse liuotin (vesi, metanoli, jne.). H+ – ionien elektrolyysireaktiot ovat happamissa liuoksissa melko yleisiä. Emäksisissä vesiliuoksissa OH− (hydroksidi-ionien) reaktiot ovat yleisiä.

joskus liuottimet itse (yleensä vesi) hapettuvat tai pelkistyvät elektrodeissa., Elektrolyysissä on jopa mahdollista käyttää kaasuja esimerkiksi kaasudiffuusioelektrodin avulla.

Energia muuttuu aikana electrolysisEdit

sähköenergian määrä, joka on lisättävä yhtä kuin muutos Gibbsin vapaa energia reaktio plus tappiot järjestelmässä. Häviöt voivat (teoriassa) olla mielivaltaisesti lähellä nollaa, joten maksimaalinen termodynaaminen hyötysuhde vastaa entalpian muutosta jaettuna reaktion vapaalla energiamuutoksella., Useimmissa tapauksissa, sähkö-tulo on suurempi kuin entalpia muutos reaktio, niin energiaa vapautuu lämmön muodossa. Joissakin tapauksissa, esimerkiksi höyryn elektrolyysissä vedyksi ja hapeksi korkeassa lämpötilassa, asia on päinvastoin ja lämpöenergia imeytyy. Tämä lämpö imeytyy ympäristöstä, ja lämmitys-arvo tuotettu vety on suurempi kuin sähkö-tulo.

VariationsEdit

Sykkivä nykyinen tuloksia tuotteita eri kuin DC., Esimerkiksi, sykkivä lisää suhde otsoni happea tuotettu anodi elektrolyysin on vesipitoista hapan liuos, kuten laimennettua rikkihappoa. Etanolin elektrolyysi pulssivirralla kehittää aldehydiä ensisijaisesti hapon sijasta.

Liittyvät techniqueEdit

seuraavat tekniikat liittyvät elektrolyysin:

• Sähkökemialliset soluja, mukaan lukien vetypolttokenno, käytä erot Vakio-elektrodin potentiaalia luoda sähköinen potentiaali, joka tarjoaa hyödyllisiä valtaa., Vaikka elektrolyysi ja sähkökemiallisten solujen toiminta liittyvät ionien ja elektrodien vuorovaikutukseen, ne ovat varsin erillisiä. Kemiallista solua ei kuitenkaan pidä nähdä elektrolyysin suorittamisena käänteisesti.