Electroliza

electroliza este trecerea unui curent electric direct printr-un electrolit care produce reacții chimice la electrozi și descompunerea materialelor.principalele componente necesare pentru realizarea electrolizei sunt un electrolit, electrozi și o sursă externă de alimentare. O partiție (de exemplu, o membrană de schimb de ioni sau o punte de sare) este opțională pentru a împiedica difuzarea produselor în vecinătatea electrodului opus.

electrolitul este o substanță chimică Ionică conductivă care conține ioni liberi și poartă curent electric (de ex., un polimer conductor de ioni, soluție sau compus ionic lichid). Dacă ionii nu sunt mobili, ca în majoritatea sărurilor solide, atunci electroliza nu poate apărea. Un electrolit lichid este produs de:

• Solvatare sau reacția unui compus ionic cu un solvent (cum ar fi apa) pentru a produce mobilă ioni
• Un compus ionic s-a topit de încălzire

electrozii sunt scufundate separate de o distanță, astfel încât un curent care circulă între ele prin electrolit și sunt conectate la sursa de energie care completează circuitul electric., Un curent continuu furnizat de sursa de alimentare conduce reacția determinând ionii din electrolit să fie atrași spre electrodul respectiv încărcat opus.electrozii din metal, grafit și material semiconductor sunt utilizați pe scară largă. Alegerea electrodului adecvat depinde de reactivitatea chimică între electrod și electrolit și costul de fabricație. Din punct de vedere istoric, când anozii nereactivi au fost doriți pentru electroliză, grafitul (numit plumbago în timpul lui Faraday) sau platina au fost alese. S-au dovedit a fi unele dintre cele mai puțin reactive materiale pentru anozi., Platina erodează foarte lent în comparație cu alte materiale, iar grafitul se sfărâmă și poate produce dioxid de carbon în soluții apoase, dar altfel nu participă la reacție. Catodii pot fi făcuți din același material sau pot fi făcuți dintr-unul mai reactiv, deoarece uzura anodului este mai mare datorită oxidării la anod.procesul cheie de electroliză este schimbul de atomi și ioni prin îndepărtarea sau adăugarea de electroni datorită curentului aplicat., Produsele dorite de electroliză sunt adesea într-o stare fizică diferită de electrolit și pot fi îndepărtate prin procese fizice (de exemplu, prin colectarea gazului deasupra unui electrod sau prin precipitarea unui produs din electrolit).cantitatea de produse este proporțională cu curentul, iar atunci când două sau mai multe celule electrolitice sunt conectate în serie la aceeași sursă de energie, produsele produse în celule sunt proporționale cu greutatea lor echivalentă. Acestea sunt cunoscute ca legile Faraday de electroliză.fiecare electrod atrage ioni care au sarcina opusă., Ionii încărcați pozitiv (cationii) se deplasează spre catodul (negativ) care furnizează electroni. Ionii încărcați negativ (anioni) se deplasează spre anodul (pozitiv) de extragere a electronilor. În acest proces, electronii sunt introduși efectiv la catod ca reactant și îndepărtați la anod ca produs. În chimie, pierderea de electroni se numește oxidare, în timp ce câștigul de electroni se numește reducere.când atomii sau moleculele neutre, cum ar fi cele de pe suprafața unui electrod, câștigă sau pierd electroni, ele devin ioni și se pot dizolva în electrolit și reacționează cu alți ioni.,când ionii câștigă sau pierd electroni și devin neutri, pot forma compuși care se separă de electrolit. Ionii metalici pozitivi precum cu2 + se depun pe catod într-un strat. Termenii pentru aceasta sunt galvanizarea, electrowinning și electrorefining.când un ion câștigă sau pierde electroni fără a deveni neutru, sarcina sa electronică este modificată în acest proces.de exemplu, electroliza saramurii produce hidrogen și gaze de clor care bule din electrolit și sunt colectate., Inițială globală de reacție este astfel:

2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

reacția de la anod rezultate în clor gazos de ioni de clor:

2 Cl− → Cl2 + 2 e−

reacția la catod rezultate în gaz de hidrogen și ioni de hidroxid:

2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−

Fără o partiție între electrozi, ionii OH− a produs la catod sunt gratuite pentru a difuza de-a lungul electrolit la anod., Ca electrolit devine mai de bază ca urmare a producerii de OH−, mai puțin Cl2 iese din soluție, deoarece începe să reacționeze cu hidroxid de a produce hipoclorit de la anod:

Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H2O

Cele mai multe oportunități de Cl2 trebuie să interacționeze cu NaOH în soluție, cu atât mai puțin Cl2 apare la suprafața soluției și mai rapid producția de hipoclorit progresează. Aceasta depinde de factori precum temperatura soluției, timpul în care molecula Cl2 este în contact cu soluția și concentrația de NaOH.,

de Asemenea, hipoclorit crește în concentrare, cloruri sunt produse de la ei:

3 NaClO → NaClO3 + 2 NaCl

Alte reacții, cum ar fi auto-ionizare de apa si de descompunere a hipocloritului de la catod, rata de acesta din urmă depinde de factori cum ar fi difuzia și suprafața catodului în contact cu un electrolit.,

Descompunere potentialEdit

Descompunere potențial sau tensiune de descompunere se referă la tensiune minimă (diferența de potențial de electrod) între anod și catod de o celulă electrolitică de care este nevoie pentru electroliza să se producă.

tensiunea la care electroliza este preferată termodinamic este diferența potențialelor electrodului, calculată folosind ecuația Nernst. Aplicarea tensiunii suplimentare, denumită suprapotențială, poate crește rata de reacție și este adesea necesară peste valoarea termodinamică., Este necesar în special pentru reacțiile de electroliză care implică gaze, cum ar fi oxigenul, hidrogenul sau clorul.

oxidarea și reducerea la electrozimit

oxidarea ionilor sau a moleculelor neutre are loc la anod. De exemplu, este posibilă oxidarea ionilor feroși la ionii ferici la anod:

Fe2+
(aq) → Fe3+
(aq) + e−

reducerea ionilor sau a moleculelor neutre are loc la catod. Este posibil să se reducă ionii de fericianură la ionii de ferocianură la catod:

Fe(CN)3-
6 + e− → fe(CN)4-
6

moleculele neutre pot reacționa și la oricare dintre electrozi., De exemplu: P-Benzochinona poate fi redusă la hidrochinonă la catod:

+ 2 e− + 2 H+ →

în ultimul exemplu, ionii H+ (ioni de hidrogen) participă, de asemenea, la reacție și sunt furnizați de acidul din soluție sau de solventul însuși (apă, metanol etc.). Reacțiile de electroliză care implică ioni H+ sunt destul de frecvente în soluțiile acide. În soluțiile apoase alcaline, reacțiile care implică OH – (ioni de hidroxid) sunt frecvente.uneori solvenții înșiși (de obicei apa) sunt oxidați sau reduși la electrozi., Este chiar posibil să existe electroliză care implică gaze, de exemplu prin utilizarea unui electrod de difuzie a gazului.

schimbările de energie în timpul electrolizeimit

cantitatea de energie electrică care trebuie adăugată este egală cu modificarea energiei libere Gibbs a reacției plus pierderile din sistem. Pierderile pot (teoretic) să fie arbitrar aproape de zero, astfel încât eficiența termodinamică maximă este egală cu schimbarea entalpiei împărțită la schimbarea energiei libere a reacției., În cele mai multe cazuri, intrarea electrică este mai mare decât schimbarea entalpiei reacției, astfel încât o anumită energie este eliberată sub formă de căldură. În unele cazuri, de exemplu, în electroliza aburului în hidrogen și oxigen la temperaturi ridicate, opusul este adevărat și energia termică este absorbită. Această căldură este absorbită din împrejurimi, iar valoarea de încălzire a hidrogenului produs este mai mare decât intrarea electrică.

Variațiiedit

pulsează rezultatele curente în produse diferite de DC., De exemplu, pulsarea crește raportul dintre ozon și oxigen produs la anod în electroliza unei soluții apoase acide, cum ar fi acidul sulfuric diluat. Electroliza etanolului cu curent pulsat evoluează o aldehidă în loc de un acid în primul rând.următoarele tehnici sunt legate de electroliză:

• celulele electrochimice, inclusiv celula de combustibil cu hidrogen, utilizează diferențele în potențialul electrodului Standard pentru a genera un potențial electric care oferă o putere utilă., Deși sunt legate de interacțiunea ionilor și electrozilor, electroliza și funcționarea celulelor electrochimice sunt destul de distincte. Cu toate acestea, o celulă chimică nu trebuie văzută ca efectuând electroliza în sens invers.