Elektrische stroom in elektrolyten

Elektrische stroom in elektrolyten is altijd gerelateerd aan de overdracht van materie. In metalen en halfgeleiders wordt materie bijvoorbeeld niet overgedragen als er stroom doorheen gaat, omdat in deze media elektronen en gaten stroomdragers zijn, maar in elektrolyten wel. Dit komt omdat in elektrolyten de positief en negatief geladen ionen van de stof fungeren als dragers van vrije ladingen, helemaal niet als elektronen of gaten.

Gesmolten verbindingen van veel metalen, evenals enkele vaste stoffen, behoren tot elektrolyten. Maar de belangrijkste vertegenwoordigers van dit type geleiders, die veel worden gebruikt in de technologie, zijn waterige oplossingen van anorganische zuren, basen en zouten.

De stof komt, wanneer een elektrische stroom door het elektrolytmedium gaat, vrij op de elektroden. Dit fenomeen wordt genoemd elektrolyse… Als er een elektrische stroom door het elektrolyt gaat, bewegen de positief en negatief geladen ionen van de stof gelijktijdig in tegengestelde richtingen.

Negatief geladen ionen (anionen) stromen naar de positieve elektrode van de stroombron (anode) en positief geladen ionen (kationen) naar de negatieve pool (kathode).

Bronnen van ionen in waterige oplossingen van zuren, basen en zouten zijn neutrale moleculen, waarvan sommige splitsen onder invloed van een toegepaste elektrische kracht. Dit fenomeen van het splitsen van neutrale moleculen wordt elektrolytische dissociatie genoemd. Bijvoorbeeld, koperchloride CuCl2 ontleedt bij dissociatie in waterige oplossing in chloride-ionen (negatief geladen) en koper (positief geladen).

Wanneer de elektroden zijn aangesloten op een stroombron, begint het elektrische veld te werken op ionen in een oplossing of smelt, terwijl chlooranionen naar de anode (positieve elektrode) en koperkationen naar de kathode (negatieve elektrode) gaan.

Bij het bereiken van de negatieve elektrode worden de positief geladen koperionen geneutraliseerd door de overtollige elektronen aan de kathode en worden neutrale atomen die op de kathode worden afgezet. Bij het bereiken van de positieve elektrode doneren de negatief geladen chloorionen elk één elektron tijdens de interactie met de positieve lading op de anode. In dit geval combineren de gevormde neutrale chlooratomen zich in paren om Cl2-moleculen te vormen, en chloor komt vrij in de vorm van gasbellen aan de anode.

Vaak gaat het elektrolyseproces gepaard met de interactie van dissociatieproducten (dit worden secundaire reacties genoemd), wanneer de ontledingsproducten die vrijkomen op de elektroden een interactie aangaan met het oplosmiddel of rechtstreeks met het elektrodemateriaal. Neem bijvoorbeeld de elektrolyse van een waterige oplossing van kopersulfaat (kopersulfaat - CuSO4).In dit voorbeeld zijn de elektroden van koper.

Het kopersulfaatmolecuul dissocieert en vormt een positief geladen koperion Cu+ en een negatief geladen sulfaation SO4-. Neutrale koperatomen worden afgezet als een vaste afzetting op de kathode. Op deze manier wordt chemisch zuiver koper verkregen.

Het sulfaation doneert twee elektronen aan de positieve elektrode en wordt het neutrale radicaal SO4, dat onmiddellijk reageert met de koperanode (secundaire anodereactie). Het reactieproduct aan de anode is kopersulfaat, dat in oplossing gaat.

Het blijkt dat wanneer een elektrische stroom door een waterige oplossing van kopersulfaat gaat, de koperanode eenvoudig geleidelijk oplost en koper neerslaat op de kathode.In dit geval verandert de concentratie van de waterige oplossing van kopersulfaat niet.

In 1833 stelde de Engelse natuurkundige Michael Faraday tijdens experimenteel werk de wet van elektrolyse vast, die nu naar hem is vernoemd.

Met de wet van Faraday kun je bepalen hoeveel primaire producten er bij elektrolyse op de elektroden vrijkomen. De wet stelt het volgende: "De massa m van de stof die bij elektrolyse op de elektrode vrijkomt, is recht evenredig met de lading Q die door de elektrolyt is gegaan."

De evenredigheidsfactor k in deze formule wordt het elektrochemische equivalent genoemd.

De massa van de stof die bij elektrolyse op de elektrode vrijkomt, is gelijk aan de totale massa van alle ionen die op deze elektrode zijn gekomen:

De formule bevat de lading q0 en de massa m0 van een ion, evenals de lading Q die door de elektrolyt is gegaan.N is het aantal ionen dat bij de elektrode is aangekomen toen de lading Q door de elektrolyt ging.Daarom wordt de verhouding van de massa van het ion m0 tot zijn lading q0 het elektrochemische equivalent van k genoemd.

Aangezien de lading van een ion numeriek gelijk is aan het product van de valentie van de stof en de elementaire lading, kan het chemische equivalent in de volgende vorm worden weergegeven:

Waar: Na is de constante van Avogadro, M is de molaire massa van de stof, F is de constante van Faraday.

In feite kan de Faraday-constante worden gedefinieerd als de hoeveelheid lading die door de elektrolyt moet gaan om één mol monovalente substantie op de elektrode vrij te maken. Faraday's wet van elektrolyse neemt dan de vorm aan:

Het fenomeen elektrolyse wordt veel gebruikt in de moderne productie. Zo worden aluminium, koper, waterstof, mangaandioxide en waterstofperoxide industrieel geproduceerd door elektrolyse. Veel metalen worden gewonnen uit ertsen en verwerkt door elektrolyse (elektroraffinage en elektro-extractie).

Ook dankzij elektrolyse, chemische stroombronnen… Elektrolyse wordt gebruikt in afvalwaterzuivering (elektro-extractie, elektrocoagulatie, elektroflotatie). Veel stoffen (metalen, waterstof, chloor, enz.) worden verkregen door elektrolyse voor galvaniseren en galvaniseren.

Zie ook:Productie van waterstof door elektrolyse van water — technologie en apparatuur