Co je elektrolýza v chemii?

Nejprve se pokusme pochopit, co je elektrolýza. Jedná se o chemické reakce, které se vyskytují pod vlivem elektrického proudu na elektrody, které jsou umístěny v roztoku taveniny nebo elektrolytu.

Některé teoretické koncepty

Elektrolyt je látka, která vede elektřinu. Elektrody jsou dva typy. Katoda je záporně nabitá elektroda, na ní dochází k redukční reakci.

Anoda se nazývá pozitivně nabitá elektroda, kde je provedena rekonstrukce.

Použití procesu

Elektrolýza roztoků se používá v různých odvětvích moderního průmyslu. V chemickém průmyslu se tímto způsobem získávají chlor, alkálie, chloristany, chlorečnan, persíran, organické látky, manganistan draselný, kyselina persírová, fluor, kyslík, vodík a další cenné produkty.

V neželezné metalurgii se elektrolýza tavenin používá k extrakci čistého kovu z rud. Kovy, které nelze izolovat kvůli vysokému negativnímu potenciálu z vodných roztoků, se získají elektrolyzou tavenin v metalurgii neželezných kovů. Mezi kovy, které se vyrábějí elektrolýzou tzv. Roztaveného média, zaznamenáváme hořčík, hliník, uran, beryllium, zirkonium.

Elektrolýza se používá v strojírenství, elektronickém průmyslu, radiotechnika, tisku, za účelem použití tenkých kovových povlaků na výrobky, chrání je před korozí, zvyšuje odolnost proti opotřebení a zvyšuje tepelnou odolnost.

Historické pozadí

Co je elektrolýza? Jedná se o jednu z nejdůležitějších oblastí elektrochemie. Věda se narodila na přelomu 18. a 19. století. Během tohoto období experimenty prováděly italský fyziolog L. Galvani a fyzik A. Volt. Na konci 18. století se objevily první zdroje chemického proudu. Počátkem 20. století začala elektrochemie studovat elektrochemické procesy. Experimentálně bylo zjištěno, že elektrický proud, procházející vodnými roztoky solí, způsobuje chemické transformace vedoucí k tvorbě nových sloučenin.

Když se domníváme, že elektrolýza je, shledáváme, že jde o složitý soubor procesů: iontovou migraci, difúzi, elektrochemické reakce iontových výbojů, sekundární chemické reakce produktů elektrolýzy navzájem.

Klasifikace procesu

Mluvit o tom, co je elektrolýza, je třeba se zabývat klasifikací elektrolytických procesů. Jsou rozděleny do:

• výroba anorganických sloučenin (chlor, kyslík, vodík);
• tvorba kovů (hořčík, měď, hliník, draslík, sodík, beryllium, stříbro, měď);
• získávání kovových a galvanických povlaků;
• nitridování, elektrické leštění, boronizace kovového povrchu;
• aplikace filmu elektroforézou;
• odsolování vody a elektrodialýza;
• výrobu různých organických látek.

Experimenty elektrolýzy

Jak vyrobit rovnici elektrolýzy? Tento proces probíhá v elektrolytech. Je možné spojit se dvěma uhlíkovými elektrodami vodiče pocházející ze světelné sítě.

V jedné z nich zapněte elektrickou lampu, která potvrdí přítomnost elektrického proudu v okruhu. Volné konce elektrod lze umístit do suché stolní soli nebo bezvodé kyseliny sírové.

Lampa nehoří, protože látky nejsou schopny provádět elektrický proud a okruh zůstává otevřený. Podobný výsledek je zaznamenán v případě, kdy jsou elektrody ponořeny do sklenice s destilovanou vodou.

Když se ve vodě rozpustí malé množství soli, alkálie a kyseliny, je pozorována jasná luminiscence.

Když jsou elektrody spuštěny do roztoku glycerinu nebo cukru, lampa také přestane svítit.

Tento experiment samozřejmě potvrzuje vodivost solí, zásad, kyselých roztoků elektrického proudu.

S průchodem elektrického proudu roztoky nebo taveninami jsou pozorovány chemické změny, které se projevují při uvolňování rozkladných produktů rozpouštědla nebo rozpuštěné látky.

Jaký je proces v případě stolní soli

Během experimentálních pozorování bylo zjištěno, že elektrolýza vodného roztoku chloridu sodného vede k tvorbě vodíku na katodě, k uvolňování plynného chloru v anodě. Jak matematicky popsat tento proces? Elektrolýza chloridu sodného se vyskytuje v tavenině, což vede k vzhledu čistého alkalického kovu na katodě a plynného chloru v anodě.

... a chlorid hořečnatý

Po průchodu eklektického proudu taveninou chloridu hořečnatého se pozoruje vzhled kationtů hořčíku a chlorových aniontů.

Na katodě se pozoruje redukce kationtů hořčíku na čistý kov, chlorové anionty, přecházející do anody, darovat elektrony, dochází k oxidačnímu procesu. Elektrolýza chloridu hořečnatého může být napsána jako souhrnná rovnice:

MgCl2 = Mg + Cl2

Vlastnosti elektrolýzy v roztoku

Je důležité vzít v úvahu skutečnost, že kromě iontů elektrolytů jsou v roztoku také vodné roztoky: kationty vodíku a anionty hydroxylové skupiny. Proto katoda může vypouštět jak elektrolytový kation, tak vodíkový proton. Na anodě se uvolňují hydroxylové ionty a elektrolytové anionty.

Molekuly vody mohou také podléhat elektrochemické redukci nebo oxidaci.

Při pečlivém zvážení katodických procesů, ke kterým dochází během elektrolýzy vodného roztoku, je důležité vzít v úvahu potenciální redukční potenciál vodíkových protonů. Závisí na koncentraci vodíkových kationtů, která má hodnotu -0, 41 V.

Pokud je v roztoku elektrolytu kov, u něhož potenciál elektrody má pozitivnější hodnotu, bude katoda obnovena v rámci elektrolýzy. Toto tvrzení platí pro ty kovy, které se nacházejí v blízkosti vodíku v elektrochemické řadě Beketovových napětí. S negativnější hodnotou potenciálu elektrody než potenciálem vodíkových kationtů se kov na katodě neobnoví. V takových případech se na této elektrodě akumuluje vodík.

Pokud je potenciál kovu podobný hodnotě -0,41 V, současná tvorba vodíku a čistého kovu na katodě je přípustná.

Povaha katodového procesu v případě elektrolýzy solného roztoku (alkálie) je ovlivněna umístěním kovu v sérii elektrochemických napětí Beketovových kovů.

Při analýze procesů vyskytujících se v anodě je třeba vzít v úvahu skutečnost, že je možné oxidaci anodového materiálu. Proto elektrochemie oddělí inertní anodu, stejně jako elektrodu sestávající z jejich aktivní anody.

Inertní je anoda, ve které materiál nepodléhá oxidaci jako součást procesu elektrolýzy. Aktivní je považována za anodu, která může během elektrolýzy oxidovat.

Pro inertní anody zvolte platinu, uhlí, grafit. Tato možnost je zvažována v kurzu školní chemie.

Typické příklady elektrolýzy vodných roztoků

Začneme s vlastnostmi elektrolýzy v roztoku chloridu měďnatého (2). Vzhledem k tomu, že tento kov v elektrochemické řadě kovové aktivity je umístěn napravo od vodíku, kovová měď se vytváří na katodě. Chloridové ionty jsou v anodovém prostoru vypouštěny a tvoří plynný chlor. Schéma procesu je prezentováno v následující formě:

• Katoda: Cu ²⁺ 2e = Cu.
• Anoda: 2Cl ^- 2e = Cl2 _.

Kumulativní rovnice:

• CuCl2 = Cu + Cl2 _.

Jaká je elektrolýza vodného roztoku síranu sodného? Vzhledem k tomu, že sodík je v rozsahu aktivit kovů vlevo od vodíku, vzniká na katodě tvorba molekulárního vodíku. Kromě toho se hydroxidové ionty akumulují v katodovém prostoru.

V anodě se uvolňuje plynný kyslík a v blízkosti této elektrody se hromadí hydroxidové ionty.

Vzhledem k tomu, že kationty sodíku a síranové ionty zůstávají v roztoku, zůstává tato část roztoku elektricky neutrální. Schéma této elektrolýzy může být znázorněno následovně:

• 2Na2S04 + 6H20 = 4NaOH + 2H2S04 + 02 + 2H2

Faktory ovlivňující proces elektrolýzy

Účinnost této chemické reakce je hodnocena několika faktory, mezi kterými lze poznamenat: napětí, proud, účinnost proudu, účinnost, spotřebu elektrické energie na jednotku výsledného produktu, proudovou hustotu.

Současná pevnost charakterizuje výkon elektrolyzéru. A čím je vyšší, tím větší je množství produktu vytvořeného na elektrodách.

Proudový výstup umožňuje zohlednit účinnost použití množství elektrického proudu procházejícího elektrolyzérem.