Elektrolys

elektrolys är passagen av en direkt elektrisk ström genom en elektrolyt som producerar kemiska reaktioner vid elektroderna och sönderdelning av materialen.

de viktigaste komponenterna som krävs för att uppnå elektrolys är en elektrolyt, elektroder och en extern strömkälla. En partition (t.ex. ett jonbytesmembran eller en saltbro) är valfri för att hålla produkterna från att sprida sig till närheten av motsatt elektrod.

elektrolyten är en ledande jonisk kemisk substans som innehåller fria joner och bär elektrisk ström (t. ex., en jonledande polymer, lösning eller flytande jonisk förening). Om jonerna inte är mobila, som i de flesta fasta salter, kan elektrolys inte uppstå. En flytande elektrolyt produceras av:

• Solvering eller reaktion av en jonisk förening med ett lösningsmedel (t.ex. vatten) för att producera mobila joner
• en jonisk förening smält genom uppvärmning

elektroderna är nedsänkta separerade av ett avstånd så att en ström strömmar mellan dem genom elektrolyten och är anslutna till strömkällan som fullbordar den elektriska kretsen., En likström som levereras av strömkällan Driver reaktionen som orsakar att joner i elektrolyten lockas mot respektive motsatt laddade elektrod.

elektroder av metall, grafit och halvledarmaterial används ofta. Val av lämplig elektrod beror på kemisk reaktivitet mellan elektroden och elektrolyten och tillverkningskostnaden. Historiskt, när icke-reaktiva anoder önskas för elektrolys, valdes grafit (kallad plumbago i Faradays tid) eller platina. De befanns vara några av de minst reaktiva materialen för anoder., Platina eroderar mycket långsamt jämfört med andra material, och grafit smuler och kan producera koldioxid i vattenhaltiga lösningar men annars deltar inte i reaktionen. Katoder kan vara tillverkade av samma material, eller de kan vara tillverkade av en mer reaktiv en eftersom anod slitage är större på grund av oxidation vid anoden.

process av elektrolysedit

den viktigaste processen för elektrolys är utbytet av atomer och joner genom avlägsnande eller tillsats av elektroner på grund av den applicerade strömmen., De önskade produkterna av elektrolys är ofta i ett annat fysiskt tillstånd från elektrolyten och kan avlägsnas genom fysiska processer (t.ex. genom att samla gas över en elektrod eller fälla ut en produkt ur elektrolyten).

kvantiteten av produkterna är proportionell mot strömmen, och när två eller flera elektrolytiska celler i serie är anslutna till samma kraftkälla, är de produkter som produceras i cellerna proportionella mot deras ekvivalenta vikt. Dessa kallas Faradays lagar elektrolys.

varje elektrod lockar joner som är av motsatt laddning., Positivt laddade joner (katjoner) rör sig mot den elektrongivande (negativa) katoden. Negativt laddade joner (anjoner) rör sig mot elektronutvinnande (positiv) anod. I denna process införs elektroner effektivt vid katoden som reaktant och avlägsnas vid anoden som en produkt. I kemi kallas förlusten av elektroner oxidation, medan elektronförstärkning kallas reduktion.

När neutrala atomer eller molekyler, såsom de på ytan av en elektrod, vinna eller förlora elektroner de blir joner och kan upplösas i elektrolyten och reagera med andra joner.,

När joner får eller förlorar elektroner och blir neutrala kan de bilda föreningar som skiljer sig från elektrolyten. Positiva metalljoner som Cu2 + insättning på katoden i ett lager. Villkoren för detta är elektroplätering, elektrowinning och elektroraffinering.

När en jon vinner eller förlorar elektroner utan att bli neutral, ändras dess elektroniska laddning i processen.

till exempel producerar elektrolysen av saltlösning väte – och klorgaser som bubblar från elektrolyten och samlas in., Den initiala totala reaktionen är således:

2 NaCl + 2 H2o → 2 NaOH + H2 + Cl2

reaktionen vid anoden resulterar i klorgas från klorjoner:

2 Cl− → Cl2 + 2 e−

reaktionen vid katoden resulterar i vätgas− och hydroxidjoner:

2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH−

utan en partition mellan elektroderna är de OH-joner som produceras vid katoden fria att diffundera genom elektrolyten till anoden., Eftersom elektrolyten blir mer grundläggande på grund av produktionen av OH -, kommer mindre Cl2 från lösningen när den börjar reagera med den hydroxid som producerar hypoklorit vid anoden:

Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H2O

ju mer möjlighet Cl2 måste interagera med NaOH i lösningen, desto mindre Cl2 framträder vid ytan av lösningen och ju snabbare produktionen av hypoklorit fortskrider. Detta beror på faktorer som lösningstemperatur, mängden tid Cl2-molekylen är i kontakt med lösningen och koncentrationen av NaOH.,

På samma sätt, när hypoklorit ökar i koncentration, produceras klorater från dem:

3 NaClO → NaClO3 + 2 NaCl

andra reaktioner uppträder, såsom självjonisering av vatten och sönderdelning av hypoklorit vid katoden, hastigheten för den senare beror på faktorer som diffusion och katodens ytarea i kontakt med elektrolyten.,

Sönderdelningspotentialedit

Sönderdelningspotential eller sönderdelningsspänning avser minsta spänning (skillnad i elektrodpotential) mellan anod och katod hos en elektrolytisk cell som behövs för att elektrolys ska uppstå.

den spänning vid vilken elektrolys termodynamiskt föredras är skillnaden i elektrodpotentialerna som beräknas med hjälp av Nernst-ekvationen. Applicera ytterligare spänning, kallad överpotential, kan öka reaktionshastigheten och behövs ofta över det termodynamiska värdet., Det är särskilt nödvändigt för elektrolysreaktioner som involverar gaser, såsom syre, väte eller klor.

Oxidation och reduktion vid elektrodesedit

Oxidation av joner eller neutrala molekyler sker vid anoden. Det är till exempel möjligt att oxidera järnjoner till järnjoner vid anoden:

Fe2+
(aq) → Fe3+
(aq) + e−

reduktion av joner eller neutrala molekyler uppträder vid katoden. Det är möjligt att minska ferricyanidjoner till ferrocyanidjoner vid katoden:

Fe (CN)3-
6 + e− → Fe(CN)4-
6

neutrala molekyler kan också reagera på någon av elektroderna., Till exempel: p-Bensokinon kan reduceras till hydrokinon vid katoden:

+ 2 e− + 2 H+ →

i det sista exemplet deltar H+ joner (vätejoner) också i reaktionen och tillhandahålls av syran i lösningen eller av lösningsmedlet själv (vatten, metanol etc.). Elektrolysreaktioner som involverar H + – joner är ganska vanliga i sura lösningar. I vattenhaltiga alkaliska lösningar är reaktioner som involverar OH− (hydroxidjoner) vanliga.

ibland oxideras eller reduceras lösningsmedlen själva (vanligtvis vatten) vid elektroderna., Det är till och med möjligt att ha elektrolys som involverar gaser, t.ex. genom att använda en gasdiffusionselektrod.

energiförändringar under elektrolysedit

den mängd elektrisk energi som måste tillsättas motsvarar förändringen i Gibbs fri energi av reaktionen plus förlusterna i systemet. Förlusterna kan (i teorin) vara godtyckligt nära noll, så den maximala termodynamiska effektiviteten är lika med entalpiförändringen dividerad med reaktionens fria energiförändring., I de flesta fall är den elektriska ingången större än reaktionens entalpiförändring, så viss energi frigörs i form av värme. I vissa fall, till exempel, i elektrolys av ånga till väte och syre vid hög temperatur, är motsatsen sant och värmeenergi absorberas. Denna värme absorberas från omgivningen, och uppvärmningsvärdet för det producerade vätet är högre än den elektriska ingången.

VariationsEdit

pulserande ström resulterar i produkter som skiljer sig från DC., Pulserande ökar till exempel förhållandet mellan ozon och syre som produceras vid anoden i elektrolysen av en vattenhaltig sur lösning, såsom utspädd svavelsyra. Elektrolys av etanol med pulsad ström utvecklas en aldehyd i stället för i första hand en syra.

relaterad techniqueEdit

följande tekniker är relaterade till elektrolys:

• elektrokemiska celler, inklusive vätebränslecellen, använder skillnader i standardelektrodpotential för att generera en elektrisk potential som ger användbar kraft., Även relaterade till interaktionen mellan joner och elektroder, elektrolys och driften av elektrokemiska celler är ganska distinkta. En kemisk cell bör dock inte ses som att utföra elektrolys i omvänd ordning.