Elektrolízis

az elektrolízis egy közvetlen elektromos áram áthaladása elektroliton keresztül, amely kémiai reakciókat vált ki az elektródákon és az anyagok bomlása során.

az elektrolízis eléréséhez szükséges fő komponensek egy elektrolit, elektróda és egy külső áramforrás. A válaszfal (pl. ioncserélő membrán vagy sóhíd) nem kötelező, hogy a termékek ne szóródjanak az ellenkező elektróda közelébe.

az elektrolit egy vezetőképes Ionos kémiai anyag, amely szabad ionokat tartalmaz és elektromos áramot hordoz (pl., ionvezető polimer, oldat vagy folyékony ionos vegyület). Ha az ionok nem mozgékonyak, mint a legtöbb szilárd sóban, akkor az elektrolízis nem fordulhat elő. Folyékony elektrolit által termelt:

• Solvation vagy reakció egy ionos vegyület oldószerrel (pl. víz), hogy készítsen mobil ionok
• Egy ionos vegyület elolvadt a fűtés

Az elektródákat vagy elmerül elválasztva a távolság olyan, hogy a jelenlegi áramlik közöttük keresztül az elektrolit, illetve csatlakozik az energiaforrás, amely kiegészíti az elektromos áramkör., Az áramforrás által szolgáltatott egyenáram hajtja a reakciót, ami az elektrolitban lévő ionokat vonzza a megfelelő ellentétes töltésű elektróda felé.

széles körben használják fém, grafit és félvezető anyagból készült elektródákat. A megfelelő elektród kiválasztása az elektród és az elektrolit kémiai reakcióképességétől és a gyártási költségtől függ. Történelmileg, amikor az elektrolízishez nem reaktív anódokat kívántak, grafitot (Faraday idejében plumbago-nak hívták) vagy platinát választottak. Úgy találták, hogy az anódok közül a legkevésbé reaktív anyagok., A platina nagyon lassan erodálódik a többi anyaghoz képest, a grafit összeomlik, és vizes oldatokban szén-dioxidot képes előállítani, de egyébként nem vesz részt a reakcióban. A katódok ugyanabból az anyagból készülhetnek, vagy reaktívabb anyagból készülhetnek, mivel az anód kopása nagyobb az anód oxidációja miatt.

elektrolízis folyamataszerkesztés

az elektrolízis legfontosabb folyamata az atomok és ionok cseréje elektronok eltávolításával vagy hozzáadásával az alkalmazott áram miatt., Az elektrolízis kívánt termékei gyakran más fizikai állapotban vannak, mint az elektrolit, és fizikai folyamatokkal távolíthatók el (például egy elektród feletti gáz összegyűjtésével vagy egy termék kicsapásával az elektrolitból).

a termékek mennyisége arányos az árammal, és ha két vagy több elektrolitikus cellát sorba kapcsolnak ugyanahhoz az áramforráshoz,akkor a cellákban előállított termékek egyenértékűek súlyukkal. Ezek az úgynevezett Faraday törvényei elektrolízis.

minden elektróda vonzza az ellentétes töltésű ionokat., A pozitív töltésű ionok (kationok) az elektron-biztosító (negatív) katód felé mozognak. A negatív töltésű ionok (anionok) az elektron-extraháló (pozitív) anód felé mozognak. Ebben a folyamatban az elektronokat hatékonyan vezetik be a katódon reagensként, majd az anódon eltávolítják termékként. A kémiában az elektronok elvesztését oxidációnak nevezik, míg az elektronnövekedést redukciónak nevezik.

Ha a semleges atomok vagy molekulák, mint például a felszínen egy elektróda, nyerünk vagy vesztünk elektronok válnak ionok lehet feloldani az elektrolit, illetve reagálni más ionok.,

amikor az ionok elektront nyernek vagy veszítenek, és semlegessé válnak, olyan vegyületeket képezhetnek, amelyek elkülönülnek az elektrolittól. A pozitív fémionok, mint például a Cu2 + lerakódnak a katódra egy rétegben. Ennek feltételei a galvanizálás, az elektrorefinálás és az elektrorefinálás.

amikor egy ion elnyeli vagy elveszíti az elektronokat anélkül, hogy semleges lenne, az elektronikus töltése megváltozik a folyamatban.

például a sóoldat elektrolízise hidrogén – és klórgázokat termel, amelyek az elektrolitból buborékolnak, és összegyűjtik őket., A kezdeti általános reakció, így:

2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

A reakció az anód eredmények a klór gáz klór-ionok:

2 Cl− → Cl2 + 2 e−

A reakció a katód eredmények a hidrogén gáz -, illetve hidroxid-ionok:

2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−

Anélkül, hogy egy partíció az elektródák között, az OH− ionok termelt a katód szabadon diffúz során az elektrolit, hogy az anód., Mivel az elektrolit válik alapvető miatt a termelés az Ó−, kevesebb Cl2 derül ki a megoldást, mert kezd reagálni a-hidroxid termelő hipoklorit az anód:

Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H2O

A több lehetőséget, a Cl2, hogy kölcsönhatásba lépnek a NaOH a megoldás, a kevésbé Cl2 kiderül, a felszínen a megoldás a gyorsabb, a termelés hipoklorit előrehaladtával. Ez olyan tényezőktől függ, mint az oldat hőmérséklete, a Cl2 molekula mennyi ideig érintkezik az oldattal, valamint a NaOH koncentrációja.,

hasonlóképpen, mivel a hipoklorit koncentrációja növekszik, klorátokat állítanak elő belőlük:

3 NaClO → NaClO3 + 2 NaCl

más reakciók fordulnak elő, például a víz önionizációja és a hipokloritnak a katódon történő bomlása, ez utóbbi sebessége olyan tényezőktől függ, mint a diffúzió és a katód felülete, amely az elektrolittal érintkezik.,

bomlási potenciáledit

bomlási potenciál vagy bomlási feszültség az elektrolízishez szükséges elektrolízis anód és katód közötti minimális feszültségre (az elektródpotenciál különbségére) vonatkozik.

az elektrolízis termodinamikailag előnyös feszültsége az elektródpotenciálok különbsége a Nernst-egyenlet segítségével kiszámítva. A kiegészítő feszültség alkalmazása, amelyet túlpotenciálnak neveznek, növelheti a reakció sebességét, gyakran a termodinamikai érték felett van szükség., Különösen szükséges a gázokat, például oxigént, hidrogént vagy klórt érintő elektrolízisre.

az elektród oxidációja és redukciójaszerkesztés

ionok vagy semleges molekulák oxidációja történik az anódon. Például a vasionokat vasionokká oxidálhatjuk az anódon:

Fe2+
(AQ) → Fe3+
(AQ) + e−

ionok vagy semleges molekulák redukciója történik a katódon. Lehetőség van a ferricianid ionok ferrocianid ionokra történő csökkentésére a katódon:

Fe(CN)3-
6 + e− → Fe (CN)4-
6

semleges molekulák is reagálhatnak az elektródák bármelyikén., Például: a P-benzokinon hidrokinonra redukálható a katódon:

+ 2 e – + 2 H + →

az utolsó példában a H + ionok (hidrogénionok) szintén részt vesznek a reakcióban, amelyeket az oldatban lévő sav vagy maga az oldószer (víz, metanol stb.) biztosít.). A H+ ionokat tartalmazó elektrolízis reakciók meglehetősen gyakoriak a savas oldatokban. Vizes lúgos oldatokban gyakoriak az OH – (hidroxidionok) reakciói.

néha maguk az oldószerek (általában víz) oxidálódnak vagy csökkennek az elektródákon., Még elektrolízis is lehetséges gázok bevonásával, például gázdiffúziós elektróda használatával.

energia változások során elektrolízisszerkesztés

az elektromos energia mennyisége, hogy hozzá kell adni megegyezik a változás Gibbs szabad energia a reakció, valamint a veszteségek a rendszerben. A veszteségek (elméletileg) önkényesen közel lehetnek nullához, így a maximális termodinamikai hatékonyság megegyezik az entalpia változással, osztva a reakció szabad energiaváltásával., A legtöbb esetben az elektromos bemenet nagyobb, mint a reakció entalpiás változása, így bizonyos energia hő formájában szabadul fel. Egyes esetekben, például a gőz magas hőmérsékleten hidrogénbe és oxigénbe történő elektrolízisében, ennek az ellenkezője igaz, és a hőenergia felszívódik. Ez a hő a környezetből szívódik fel, az előállított hidrogén fűtési értéke magasabb, mint az elektromos bemenet.

VariationsEdit

a pulzáló áram olyan termékeket eredményez, amelyek különböznek a DC-től., Például a pulzálás növeli az ózon arányát az anódban előállított oxigénhez egy vizes savas oldat, például híg kénsav elektrolízisében. Az etanol impulzusos árammal történő elektrolízise elsősorban sav helyett aldehidet képez.

kapcsolódó techniqueEdit

az elektrolízishez a következő technikák kapcsolódnak:

• elektrokémiai cellák, beleértve a hidrogén üzemanyagcellát is, a standard elektródpotenciál különbségeit használják olyan elektromos potenciál előállításához, amely hasznos energiát biztosít., Bár az ionok és elektródák kölcsönhatásához kapcsolódik, az elektrolízis és az elektrokémiai sejtek működése meglehetősen eltérő. A kémiai cellát azonban nem szabad fordított elektrolízisnek tekinteni.