Cesko.wiki Elektrolýza
Author
Albert FloresElektrolýza je chemický proces, který se používá k rozkladu látek pomocí elektrického proudu. V průběhu elektrolýzy se dvě elektrody ponořené do elektrolytu vznášejí pod napětím a vytvářejí elektrochemickou buňku. Při průchodu elektrického proudu přes elektrolyt se ionty v elektrolytu pohybují k elektrodě opačného náboje a zde dochází k chemickým reakcím. Elektrolýza má široké využití v různých oblastech, včetně průmyslu, chemie a vědy. Například se používá při výrobě kovů, jako je hliník nebo měď, či při výrobě chloru a alkalických kovů. Elektrolýza se také používá při výrobě vodíku, kyslíku a dalších plynů. Proces elektrolýzy je zákonitě spojen s přenosom pohybu elektronů ve formě proudu a přenosom látek ve formě iontů. Tento proces lze ovlivňovat různými faktory, jako je velikost proudu, druh elektrolytu, teplota, tlak a další. Elektrolýza má také svá rizika, jako je možnost elektrolytického spalování nebo korozní účinky elektrolytu. Celkově lze říci, že elektrolýza je důležitý chemický proces, který umožňuje rozklad látek za použití elektrického proudu. Tento proces nalézá využití ve velkém množství průmyslových odvětví a je také studován ve vědeckém výzkumu.
Elektrolýza je fyzikálně-chemický jev, způsobený průchodem stejnosměrného elektrického proudu kapalinou, při kterém dochází k chemickým změnám na elektrodách.
Částicové vysvětlení
Elektricky vodivá kapalina obsahuje směs kationtů a aniontů vzniklých v kapalině disociací. Průchodem elektrického proudu dochází k pohybu kladných iontů k záporné elektrodě a záporných iontů ke kladné elektrodě. +more Na elektrodách pak může docházet k chemickým reakcím - mezi ionty a elektrodou, mezi ionty samotnými nebo mezi ionty a kapalinou (díky vyšší koncentraci iontů u elektrody).
Příklady elektrolýzy
Elektrolýza roztoku kuchyňské soli
Schéma zařízení pro elektrolytickou výrobu chloru Elektrolytem může být vodný roztok chloridu sodného NaCl (kuchyňská sůl), jenž je disociován na kladné ionty sodíku Na+ a záporné ionty chloru Cl−. +more Elektrody mohou být např. uhlíkové. Elektrické napětí mezi elektrodami usměrní pohyb Na+ k záporné elektrodě, ze které si iont H+ vezme elektron a změní se na elektricky neutrální částici - atom vodíku H, který se sloučí s jiným atomem vodíku za vzniku molekuly H2. Záporné ionty Cl− jsou přitahovány ke kladné elektrodě, které odevzdají svůj přebytečný elektron, a po dvou se sloučí do elektricky neutrální molekuly chloru Cl2. Na záporné elektrodě se z roztoku nevylučuje pevný sodík (to by se stalo, kdybychom místo vodného roztoku soli použili její taveninu - tímto procesem také lze s úspěchem kovový sodík vyrobit), ale probíhá zde redukce vodíku. Sodíkové kationty zůstávají v roztoku spolu s hydroxidovými anionty - jedná se o výrobu hydroxidu sodného.
Elektrolýza vody
Při elektrolýze vody se jako elektrolyt používá roztok kyseliny sírové H2SO4 a ve vodě elektrody z platiny, která s kyselinou sírovou nereaguje. Disociací molekul kyseliny sírové vznikají v roztoku kladné ionty vodíku H+ a záporné ionty SO42−. +more Kationty vodíku se pohybují k záporné elektrodě, od které přijímají elektron a slučují se do molekuly vodíku H2. Anionty SO42− se pohybují ke kladné elektrodě, které odevzdají své přebytečné elektrony a elektricky neutrální molekula SO4 okamžitě reaguje s vodou - vzniká nová molekula H2SO4. Při této reakci se uvolňují molekuly kyslíku O2. U záporné elektrody se tedy vylučuje z roztoku vodík, u kladné elektrody se vylučuje kyslík. Přitom v elektrolytu zůstává stejný počet molekul kyseliny sírové H2SO4, zatímco ubývá molekul vody H2O, koncentrace roztoku se zvyšuje. K elektrolýze vody se používá Hofmannův přístroj.
Energetická účinnost elektrolýzy vody (získaná chemická energie/dodaná elektrická energie) dosahuje v praxi 60-70 %.
Galvanické poměďování
Elektrolytem při galvanickém poměďování může být roztok síranu měďnatého CuSO4 ve vodě, kladná elektroda musí být z mědi, zápornou elektrodu tvoří vodivý předmět, který má být pokovován. CuSO4 se ve vodě disociuje na kationty mědi Cu2+ a anionty SO42−. +more Ionty Cu2+ jsou přitahovány k záporné elektrodě, na které postupně vytváří měděný povlak. Ionty SO42− jsou přitahovány ke kladné měděné elektrodě, z které vytrhují kationty mědi Cu2+. Koncentrace roztoku zůstává stejná, měděná elektroda se časem rozpouští.
Faradayovy zákony elektrolýzy
1. Faradayův zákon
Hmotnost látky vyloučené na elektrodě závisí přímo úměrně na elektrickém proudu, procházejícím elektrolytem, a na čase, po který elektrický proud procházel.
: m = A \cdot I \cdot t,
kde m je hmotnost vyloučené látky, A je elektrochemický ekvivalent látky, I je elektrický proud, t je čas
nebo též
: m = A \cdot Q ,
kde Q je elektrický náboj prošlý elektrolytem.
2. Faradayův zákon
Látková množství vyloučená stejným nábojem jsou pro všechny látky chemicky ekvivalentní, neboli elektrochemický ekvivalent A závisí přímo úměrně na molární hmotnosti látky.
: A = \frac {M}{F\cdot z},
kde F je Faradayova konstanta F = 9,6485 \cdot 104 C. mol−1 a z je počet elektronů, které jsou potřeba při vyloučení jedné molekuly (např. +more pro Cu2+ → Cu je z = 2, pro Ag+ → Ag je z = 1).
Využití elektrolýzy
Výroba chlóru; * rozklad různých chemických látek (elektrolýza vody); * elektrometalurgie - výroba čistých kovů (hliník); * elektrolytické čištění kovů - rafinace (měď, zinek, nikl); * galvanické pokovování čili galvanostegie - pokrývání předmětů vrstvou kovu (chromování, niklování, zlacení); * galvanoplastika čili elektroformování - kovové obtisky předmětů, např. pro výrobu odlévacích forem ** strojírenství: nástroje a formy, měřidla, chladiče, výměníky, renovace strojních součástí, elektrody, brusné nástroje s kovovou matricí; ** elektrotechnika: mikrovlnné součástky (vlnovody), speciální vodivé struktury, chladiče, součásti elektronek, houbovité elektrody pro elektrochemické zdroje; ** fyzika: zrcadla, odražeče záření, optické komponenty, paraboly, stínicí prvky, targety pro vakuové technologie; ** hudební průmysl: nástroje k lisování CD a vinylových gramodesek; ** gumárenství: formy k lisování obuvi, hraček, gumových rukavic, speciálních těsnicích prvků, formy na výrobky s povrchem imitujícím přírodní materiál; ** automobilový průmysl: paraboly světlometů, formy k lisování palubních desek či kuliček řadicích pák, maskovací šablony; ** sklářství: formy, brusné nástroje s kovovou matricí; ** letecká a kosmická technika: spalovací komory raketových motorů, kompozitní materiály a pevnostní prvky * galvanické leptání - kovová elektroda se v některých místech pokryje nevodivou vrstvou, nepokrytá část se průchodem proudu elektrolytem vyleptá; * polarografie - určování chemického složení látky pomocí změn elektrického proudu procházejícího roztokem zkoumané látky; * akumulátory - nabíjení chemického zdroje elektrického napětí průchodem elektrického proudu.
