Elektrolyse

elektrolyse is het passeren van een directe elektrische stroom door een elektrolyt die chemische reacties veroorzaakt bij de elektroden en de ontleding van het materiaal.

de belangrijkste componenten die nodig zijn voor elektrolyse zijn een elektrolyt, elektroden en een externe energiebron. Een scheidingswand (bijvoorbeeld een ionenwisselmembraan of een zoutbrug) is optioneel om te voorkomen dat de producten zich verspreiden naar de omgeving van de tegenoverliggende elektrode.

de elektrolyt is een geleidende Ionische chemische stof die vrije ionen bevat en elektrische stroom (bijv., een iongeleidend polymeer, oplossing of vloeibare ionische verbinding). Als de ionen niet mobiel zijn, zoals in de meeste vaste zouten, dan kan elektrolyse niet plaatsvinden. Een vloeibare elektrolyt wordt geproduceerd door:

• Solvatie of reactie van een ionische verbinding met een oplosmiddel (zoals water) om mobiele ionen te produceren
• een ionische verbinding gesmolten door verhitting

de elektroden worden ondergedompeld, gescheiden door een afstand zodanig dat er een stroom tussen hen door de elektrolyt stroomt en worden aangesloten op de energiebron die het elektrische circuit voltooit., Een gelijkstroom die door de energiebron wordt geleverd drijft de reactie waardoor ionen in de elektrolyt worden aangetrokken naar de respectieve tegengesteld geladen elektrode.

elektroden van metaal, grafiet en halfgeleidermateriaal worden op grote schaal gebruikt. De keuze van de geschikte elektrode hangt af van de chemische reactiviteit tussen de elektrode en elektrolyt en de productiekosten. Historisch gezien, toen niet-reactieve anodes werden gewenst voor elektrolyse, grafiet (genaamd plumbago in Faraday ‘ s tijd) of platina werden gekozen. Ze bleken een van de minst reactieve materialen voor anodes te zijn., Platina erodeert zeer langzaam in vergelijking met andere materialen, en grafiet verbrokkelt en kan kooldioxide produceren in waterige oplossingen, maar neemt verder niet deel aan de reactie. Kathoden kunnen gemaakt zijn van hetzelfde materiaal, of ze kunnen gemaakt zijn van een meer reactieve, omdat de anode slijtage groter is als gevolg van oxidatie aan de anode.

proces van elektrolyse

het belangrijkste proces van elektrolyse is de uitwisseling van atomen en ionen door het verwijderen of toevoegen van elektronen als gevolg van de toegepaste stroom., De gewenste elektrolyse-producten bevinden zich vaak in een andere fysische toestand dan de elektrolyt en kunnen door fysische processen worden verwijderd (bijvoorbeeld door gas boven een elektrode te verzamelen of een product uit de elektrolyt te precipiteren).

de hoeveelheid van de producten is evenredig met de stroom en wanneer twee of meer elektrolytische cellen in serie op dezelfde stroombron zijn aangesloten, zijn de producten die in de cellen worden geproduceerd evenredig met hun equivalent gewicht. Deze zijn bekend als Faraday ‘ s wetten van elektrolyse.

elke elektrode trekt ionen aan die de tegenovergestelde lading hebben., Positief geladen ionen (kationen) bewegen naar de elektronen verstrekkende (negatieve) kathode. Negatief geladen ionen (anionen) bewegen naar de elektron-extraherende (positieve) anode. In dit proces worden elektronen effectief geïntroduceerd bij de kathode als reactant en verwijderd bij de anode als product. In de chemie wordt het verlies van elektronen oxidatie genoemd, terwijl elektronenaanwinst reductie wordt genoemd.

wanneer neutrale atomen of moleculen, zoals die op het oppervlak van een elektrode, elektronen winnen of verliezen, worden zij ionen en kunnen zij in de elektrolyt oplossen en met andere ionen reageren.,

wanneer ionen elektronen winnen of verliezen en neutraal worden, kunnen zij verbindingen vormen die zich scheiden van de elektrolyt. Positieve metaalionen zoals Cu2+ storten in een laag op de kathode. De termen hiervoor zijn galvaniseren, electrowinnen en electrofining.

wanneer een ion elektronen wint of verliest zonder neutraal te worden, verandert de elektronische lading in het proces.bij de elektrolyse van pekel ontstaan bijvoorbeeld waterstof-en chloorgassen die uit de elektrolyt borrelen en worden opgevangen., De initiële totale reactie is dus:

2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

de reactie op de anode resulteert in chloorgas uit chloorionen:

2 Cl− → Cl2 + 2 e−

de reactie op de kathode resulteert in waterstofgas en hydroxideionen:

2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−

zonder een partitie tussen de elektroden zijn de OH− ionen die aan de kathode worden geproduceerd vrij om te diffunderen elektrolyt naar de anode., Naarmate de elektrolyt basaler wordt door de productie van OH -, ontstaat er minder Cl2 uit de oplossing als deze begint te reageren met het hydroxide dat hypochloriet produceert aan de anode:

Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaCl + H2O

hoe meer kans de Cl2 heeft om te interageren met NaOH in de oplossing, hoe minder Cl2 ontstaat aan het oppervlak van de oplossing en hoe sneller de productie van hypochloriet vordert. Dit hangt van factoren zoals oplossingstemperatuur, de hoeveelheid tijd af de molecule Cl2 in contact met de oplossing, en concentratie van NaOH is.,

naarmate de concentratie van hypochloriet toeneemt, worden er ook chloraten uit geproduceerd:

3 NaCl → NaClO3 + 2 NaCl

andere reacties treden op, zoals de zelf-ionisatie van water en de afbraak van hypochloriet aan de kathode, waarvan de snelheid afhankelijk is van factoren zoals diffusie en het oppervlak van de kathode in contact met de elektrolyt.,

Ontbindingspotentiëledit

Ontbindingspotentiaal of ontbindingsspanning verwijst naar de minimumspanning (verschil in elektrodepotentiaal) tussen anode en Kathode van een elektrolytische cel die nodig is voor elektrolyse.

de spanning waarbij elektrolyse thermodynamisch de voorkeur heeft, is het verschil van de elektrodepotentialen zoals berekend met behulp van de Nernst-vergelijking. Het toepassen van extra spanning, aangeduid als overpotentiaal, kan de reactiesnelheid verhogen en is vaak nodig boven de thermodynamische waarde., Het is vooral nodig voor elektrolyse reacties waarbij gassen, zoals zuurstof, waterstof of chloor.

oxidatie en reductie aan de elektrodedit

oxidatie van ionen of neutrale moleculen vindt plaats aan de anode. Het is bijvoorbeeld mogelijk om ijzerionen te oxideren tot ijzerionen bij de anode:

Fe2 +
(aq) → Fe3+
(aq) + e−

reductie van ionen of neutrale moleculen vindt plaats bij de kathode. Het is mogelijk om ferricyanide-ionen te reduceren tot ferrocyanide-ionen aan de kathode:

Fe(CN)3−
6 + e- → Fe(CN)4 –
6

neutrale moleculen kunnen ook reageren op een van de elektroden., Bijvoorbeeld: p− benzochinon kan aan de kathode worden gereduceerd tot hydrochinon:

+ 2 e – + 2 H+ →

in het laatste voorbeeld nemen ook H+ – ionen (waterstofionen) deel aan de reactie en worden geleverd door het zuur in de oplossing, of door het oplosmiddel zelf (water, methanol, enz.). Elektrolyse reacties waarbij H + ionen zijn vrij gebruikelijk in zure oplossingen. In waterige alkalische oplossingen komen reacties met OH− (hydroxideionen) vaak voor.

soms worden de oplosmiddelen zelf (meestal water) geoxideerd of gereduceerd aan de elektroden., Het is zelfs mogelijk om elektrolyse met gassen te laten plaatsvinden, bijvoorbeeld door gebruik te maken van een gasdiffusie-elektrode.

energieveranderingen tijdens elektrolyse

de hoeveelheid elektrische energie die moet worden toegevoegd is gelijk aan de verandering in Gibbs vrije energie van de reactie plus de verliezen in het systeem. De verliezen kunnen (in theorie) willekeurig dicht bij nul liggen, dus de maximale thermodynamische efficiëntie is gelijk aan de enthalpieverandering gedeeld door de vrije energieverandering van de reactie., In de meeste gevallen is de elektrische ingang groter dan de enthalpieverandering van de reactie, zodat er enige energie vrijkomt in de vorm van warmte. In sommige gevallen, bijvoorbeeld bij de elektrolyse van stoom in waterstof en zuurstof bij hoge temperatuur, is het tegenovergestelde waar en wordt warmte-energie geabsorbeerd. Deze warmte wordt geabsorbeerd uit de omgeving, en de verwarmingswaarde van de geproduceerde waterstof is hoger dan de elektrische input.

VariationsEdit

pulserende stroom resulteert in producten die verschillen van DC., Pulsering verhoogt bijvoorbeeld de verhouding van ozon tot zuurstof geproduceerd bij de anode in de elektrolyse van een waterige zure oplossing zoals verdund zwavelzuur. Elektrolyse van ethanol met gepulseerde stroom evolueert een aldehyde in plaats van voornamelijk een zuur.

gerelateerde techniek

de volgende technieken houden verband met elektrolyse:

• elektrochemische cellen, met inbegrip van de waterstofbrandstofcel, gebruiken verschillen in standaard elektrodepotentiaal om een elektrisch potentiaal te genereren dat nuttig vermogen levert., Hoewel gerelateerd aan de interactie van ionen en elektroden, elektrolyse en de werking van elektrochemische cellen zijn vrij verschillend. Echter, een chemische cel moet niet worden gezien als het uitvoeren van elektrolyse in omgekeerde.