Elektroliza

elektroliza polega na przepuszczaniu bezpośredniego prądu elektrycznego przez elektrolit powodujący reakcje chemiczne w elektrodach i rozkład materiałów.

głównymi składnikami wymaganymi do elektrolizy są elektrolit, elektrody i zewnętrzne źródło zasilania. Przegroda (np. membrana jonowymienna lub mostek solny) jest opcjonalna, aby zapobiec dyfuzji produktów w pobliżu przeciwnej elektrody.

elektrolit jest przewodzącą jonową substancją chemiczną, która zawiera wolne jony i przenosi prąd elektryczny (np., Polimeru Przewodzącego jon, roztworu lub ciekłego związku jonowego). Jeśli jony nie są ruchome, jak w większości soli stałych, elektroliza nie może wystąpić. Ciekły elektrolit jest wytwarzany przez:

• Solwatację lub reakcję związku jonowego z rozpuszczalnikiem (takim jak woda) w celu wytworzenia jonów ruchomych
• związek jonowy stopiony przez ogrzewanie

elektrody są zanurzone w odległości takiej, że prąd przepływa między nimi przez elektrolit i są podłączone do źródła zasilania, które kończy obwód elektryczny., Prąd stały dostarczany przez źródło zasilania napędza reakcję, powodując przyciąganie jonów w elektrolicie w kierunku odpowiedniej przeciwstawnie naładowanej elektrody.

elektrody z metalu, grafitu i materiału półprzewodnikowego są szeroko stosowane. Wybór odpowiedniej elektrody zależy od reaktywności chemicznej między elektrodą a elektrolitem i kosztów produkcji. Historycznie, gdy do elektrolizy pożądane były anody niereaktywne, wybierano grafit (zwany w czasach Faradaya plumbago) lub platynę. Uznano je za jedne z najmniej reaktywnych materiałów dla anod., Platyna eroduje bardzo powoli w porównaniu z innymi materiałami, a grafit kruszy się i może wytwarzać dwutlenek węgla w roztworach wodnych, ale poza tym nie bierze udziału w reakcji. Katody mogą być wykonane z tego samego materiału lub mogą być wykonane z bardziej reaktywnego, ponieważ zużycie anody jest większe z powodu utleniania na anodzie.

proces elektrolizyedytuj

kluczowym procesem elektrolizy jest wymiana atomów i jonów przez usunięcie lub dodanie elektronów w wyniku przyłożonego prądu., Pożądane produkty elektrolizy są często w innym stanie fizycznym od elektrolitu i mogą być usunięte przez procesy fizyczne (np. przez gromadzenie gazu nad elektrodą lub wytrącanie produktu z elektrolitu).

ilość produktów jest proporcjonalna do prądu, a gdy dwie lub więcej ogniw elektrolitycznych są połączone szeregowo z tym samym źródłem zasilania, produkty wytwarzane w ogniwach są proporcjonalne do ich równoważnej wagi. Są one znane jako prawa Faradaya elektrolizy.

każda elektroda przyciąga jony o przeciwnym ładunku., Dodatnio naładowane jony (kationy) poruszają się w kierunku katody dostarczającej elektronów (ujemnej). Ujemnie naładowane jony (aniony) poruszają się w kierunku anody ekstrakcyjnej elektronów (dodatniej). W tym procesie elektrony są skutecznie wprowadzane na katodę jako reagent i usuwane na anodzie jako produkt. W chemii utrata elektronów nazywana jest utlenianiem, podczas gdy zysk elektronów nazywany jest redukcją.

gdy neutralne atomy lub cząsteczki, takie jak te na powierzchni elektrody, zyskują lub tracą elektrony, stają się jonami i mogą rozpuszczać się w elektrolicie i reagować z innymi jonami.,

Kiedy jony zyskują lub tracą elektrony i stają się neutralne, mogą tworzyć związki oddzielające się od elektrolitu. Dodatnie jony metali, takie jak Cu2+, osadzają się na katodzie w warstwie. Terminami dla tego są galwanizacja, electrowinning i electrorefining.

gdy jon zyskuje lub traci elektrony, nie stając się neutralny, jego ładunek elektroniczny ulega zmianie w procesie.

na przykład, elektroliza solanki wytwarza wodór i chlor gazy, które pęcherzyki z elektrolitu i są gromadzone., Początkowa ogólna reakcja jest następująca:

2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

reakcja na anodzie powoduje powstanie chloru gazowego z jonów chloru:

2 Cl− → Cl2 + 2 e−

reakcja na katodzie powoduje powstanie wodoru gazowego i jonów wodorotlenkowych:

2 H2O + 2 E− → H2 + 2 OH−

bez podziału między elektrodami jony OH− wytwarzane na katodzie mogą swobodnie dyfundować przez elektrolit do elektrody.anoda., Gdy elektrolit staje się bardziej zasadowy z powodu produkcji OH−, mniej Cl2 wyłania się z roztworu, gdy zaczyna reagować z wodorotlenkiem produkującym podchloryn na anodzie:

Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H2O

im więcej możliwości Cl2 ma do interakcji z NaOH w roztworze, tym mniej Cl2 powstaje na powierzchni roztworu i tym szybsza jest produkcja podchlorynu. Zależy to od czynników takich jak temperatura roztworu, czas, w którym cząsteczka Cl2 ma kontakt z roztworem i stężenie NaOH.,

podobnie, w miarę wzrostu stężenia podchlorynu, powstają z nich chlorany:

3 NaClO → Naclo3 + 2 NaCl

zachodzą inne reakcje, takie jak samo-jonizacja wody i rozkład podchlorynu na katodzie, szybkość tego ostatniego zależy od czynników takich jak dyfuzja i powierzchnia katody w kontakcie z elektrolitem.,

potencjał dekompozycji

potencjał dekompozycji lub napięcie dekompozycji odnosi się do minimalnego napięcia (różnicy potencjału elektrody) pomiędzy anodą a katodą ogniwa elektrolitycznego, które jest potrzebne do elektrolizy.

napięcie, przy którym elektroliza jest preferowana termodynamicznie, jest różnicą potencjałów elektrody obliczoną za pomocą równania Nernsta. Zastosowanie dodatkowego napięcia, określanego jako nadpotencjalne, może zwiększyć szybkość reakcji i jest często potrzebne powyżej wartości termodynamicznej., Jest to szczególnie konieczne w reakcjach elektrolizy z udziałem gazów, takich jak tlen, wodór lub chlor.

utlenianie i redukcja na elektrodach

utlenianie jonów lub cząsteczek neutralnych następuje na anodzie. Na przykład możliwe jest utlenianie jonów żelazowych do jonów żelazowych na anodzie:

Fe2 +
(aq) → Fe3+
(aq) + e−

redukcja jonów lub cząsteczek neutralnych zachodzi na katodzie. Możliwe jest zredukowanie jonów żelazocyjankowych do jonów żelazocyjankowych na katodzie:

Fe(CN)3-
6 + e− → Fe(CN)4-
6

cząsteczki neutralne mogą również reagować na każdą z elektrod., Na przykład: P-Benzochinon można zredukować do hydrochinonu na katodzie:

+ 2 e− + 2 H+ →

w ostatnim przykładzie jony H+ (jony wodorowe) również biorą udział w reakcji i są dostarczane przez kwas w roztworze lub przez sam rozpuszczalnik (woda, metanol itp.). Reakcje elektrolizy z udziałem jonów H+ są dość powszechne w roztworach kwaśnych. W wodnych roztworach alkalicznych często występują reakcje z udziałem OH− (jonów wodorotlenkowych).

czasami same rozpuszczalniki (zwykle woda) są utleniane lub redukowane przy elektrodach., Możliwe jest nawet przeprowadzenie elektrolizy z udziałem gazów, np. za pomocą elektrody dyfuzyjnej gazu.

zmiany energii podczas elektrolizyedytuj

ilość energii elektrycznej, która musi być dodana, jest równa zmianie energii swobodnej Gibbsa reakcji plus straty w układzie. Straty mogą (teoretycznie) być dowolnie bliskie zeru, więc maksymalna sprawność termodynamiczna jest równa zmianie entalpii podzielonej przez zmianę energii swobodnej reakcji., W większości przypadków wejście elektryczne jest większe niż zmiana entalpii reakcji, więc część energii jest uwalniana w postaci ciepła. W niektórych przypadkach, na przykład w elektrolizie pary wodnej do wodoru i tlenu w wysokiej temperaturze, jest odwrotnie i energia cieplna jest absorbowana. Ciepło to jest absorbowane z otoczenia, a wartość grzewcza wytwarzanego wodoru jest wyższa niż wejście elektryczne.

Wariacjedytuj

prąd pulsujący powoduje, że produkty różnią się od prądu stałego., Na przykład, pulsowanie zwiększa stosunek ozonu do tlenu wytwarzanego na anodzie w elektrolizie wodnego roztworu kwaśnego, takiego jak rozcieńczony kwas siarkowy. Elektroliza etanolu z prądem impulsowym tworzy aldehyd zamiast przede wszystkim kwasu.

techniki Pokrewneedytuj

następujące techniki są związane z elektrolizą:

• ogniwa elektrochemiczne, w tym wodorowe ogniwo paliwowe, wykorzystują różnice w standardowym potencjale elektrod do generowania potencjału elektrycznego, który zapewnia użyteczną moc., Chociaż związane z interakcją jonów i elektrod, elektroliza i działanie komórek elektrochemicznych są dość odrębne. Jednak ogniwo chemiczne nie powinno być postrzegane jako wykonujące elektrolizę w odwrotnej kolejności.