Elektrisk strøm i elektrolytter

Elektrisk strøm i elektrolytter er alltid relatert til overføring av materie. I metaller og halvledere, for eksempel, overføres ikke materie når strøm går gjennom dem, fordi i disse mediene er elektroner og hull strømbærere, men i elektrolytter overføres de. Dette er fordi i elektrolytter fungerer de positivt og negativt ladede ionene av stoffet som bærere av frie ladninger, ikke elektroner eller hull i det hele tatt.

Smeltede forbindelser av mange metaller, samt noen faste stoffer, tilhører elektrolytter. Men hovedrepresentantene for denne typen ledere, som er mye brukt i teknologi, er vandige løsninger av uorganiske syrer, baser og salter.

Stoffet, når en elektrisk strøm passerer gjennom elektrolyttmediet, frigjøres på elektrodene. Dette fenomenet kalles elektrolyse… Når en elektrisk strøm går gjennom elektrolytten, beveger de positivt og negativt ladede ionene av stoffet seg samtidig i motsatte retninger.

Negativt ladede ioner (anioner) skynder seg til den positive elektroden til strømkilden (anode), og positivt ladede ioner (kationer) til dens negative pol (katode).

Kilder til ioner i vandige løsninger av syrer, baser og salter er nøytrale molekyler, hvorav noen deler seg under påvirkning av en påført elektrisk kraft. Dette fenomenet med å splitte nøytrale molekyler kalles elektrolytisk dissosiasjon. For eksempel spaltes kobberklorid CuCl2 ved dissosiasjon i vandig løsning til kloridioner (negativt ladet) og kobber (positivt ladet).

Når elektrodene kobles til en strømkilde, begynner det elektriske feltet å virke på ioner i en løsning eller smelte, ettersom kloranioner beveger seg til anoden (positiv elektrode) og kobberkationer til katoden (negativ elektrode).

Når de når den negative elektroden, blir de positivt ladede kobberionene nøytralisert av de overskytende elektronene ved katoden og blir nøytrale atomer som avsettes på katoden. Når de når den positive elektroden, donerer de negativt ladede klorionene ett elektron hver under interaksjonen med den positive ladningen på anoden. I dette tilfellet kombineres de dannede nøytrale kloratomene i par for å danne Cl2-molekyler, og klor frigjøres i form av gassbobler ved anoden.

Ofte er elektrolyseprosessen ledsaget av interaksjonen av dissosiasjonsprodukter (dette kalles sekundære reaksjoner), når dekomponeringsproduktene som frigjøres på elektrodene interagerer med løsningsmidlet eller direkte med elektrodematerialet. Ta for eksempel elektrolyse av en vandig løsning av kobbersulfat (kobbersulfat - CuSO4).I dette eksemplet vil elektrodene være laget av kobber.

Kobbersulfatmolekylet dissosieres for å danne et positivt ladet kobberion Cu+ og et negativt ladet sulfation SO4-. Nøytrale kobberatomer avsettes som en fast avsetning på katoden. På denne måten får man kjemisk rent kobber.

Sulfationet donerer to elektroner til den positive elektroden og blir det nøytrale radikalet SO4, som umiddelbart reagerer med kobberanoden (sekundær anodereaksjon). Reaksjonsproduktet ved anoden er kobbersulfat, som går i løsning.

Det viser seg at når en elektrisk strøm passerer gjennom en vandig løsning av kobbersulfat, oppløses kobberanoden ganske enkelt gradvis og kobber utfelles på katoden.I dette tilfellet endres ikke konsentrasjonen av den vandige løsningen av kobbersulfat.

I 1833 etablerte den engelske fysikeren Michael Faraday, i løpet av eksperimentelt arbeid, loven om elektrolyse, som nå er oppkalt etter ham.

Faradays lov lar deg bestemme mengden primærprodukter som frigjøres på elektrodene under elektrolyse. Loven sier følgende: "Massen m av stoffet som frigjøres på elektroden under elektrolyse er direkte proporsjonal med ladningen Q som har gått gjennom elektrolytten."

Proporsjonalitetsfaktoren k i denne formelen kalles den elektrokjemiske ekvivalenten.

Massen av stoffet som frigjøres på elektroden under elektrolyse er lik den totale massen av alle ioner som kom til denne elektroden:

Formelen inneholder ladningen q0 og massen m0 til et ion, samt ladningen Q som passerte gjennom elektrolytten N er antall ioner som ankom elektroden når ladningen Q passerte gjennom elektrolytten.Derfor kalles forholdet mellom massen til ionet m0 og ladningen q0 den elektrokjemiske ekvivalenten til k.

Siden ladningen til et ion er numerisk lik produktet av valensen til stoffet og den elementære ladningen, kan den kjemiske ekvivalenten representeres i følgende form:

Hvor: Na er Avogadros konstant, M er stoffets molare masse, F er Faradays konstant.

Faktisk kan Faraday-konstanten defineres som mengden ladning som må passere gjennom elektrolytten for å frigjøre en mol monovalent substans på elektroden. Faradays lov om elektrolyse tar deretter formen:

Fenomenet elektrolyse er mye brukt i moderne produksjon. For eksempel produseres aluminium, kobber, hydrogen, mangandioksid og hydrogenperoksid industrielt ved elektrolyse. Mange metaller utvinnes fra malm og behandles ved elektrolyse (elektroraffinering og elektroekstraksjon).

Også takket være elektrolyse, kjemiske strømkilder… Elektrolyse brukes til behandling av avløpsvann (elektroekstraksjon, elektrokoagulasjon, elektroflotasjon). Mange stoffer (metaller, hydrogen, klor, etc.) oppnås ved elektrolyse for galvanisering og galvanisering.

Se også:Produksjon av hydrogen ved elektrolyse av vann — teknologi og utstyr