Elektrisk ström i elektrolyter

Elektrisk ström i elektrolyter är alltid relaterad till överföring av materia. I till exempel metaller och halvledare överförs inte materia när ström passerar genom dem, eftersom elektroner och hål i dessa medier är strömbärare, men i elektrolyter överförs de. Detta beror på att i elektrolyter fungerar ämnets positivt och negativt laddade joner som bärare av fria laddningar, inte elektroner eller hål alls.

Smälta föreningar av många metaller, såväl som vissa fasta ämnen, hör till elektrolyter. Men huvudrepresentanterna för denna typ av ledare, som används i stor utsträckning inom teknik, är vattenlösningar av oorganiska syror, baser och salter.

Ämnet, när en elektrisk ström passerar genom elektrolytmediet, frigörs på elektroderna. Detta fenomen kallas elektrolys… När en elektrisk ström passerar genom elektrolyten, rör sig ämnets positivt och negativt laddade joner samtidigt i motsatta riktningar.

Negativt laddade joner (anjoner) rusar till den positiva elektroden på strömkällan (anod), och positivt laddade joner (katjoner) till dess negativa pol (katod).

Källor till joner i vattenlösningar av syror, baser och salter är neutrala molekyler, av vilka några splittras under inverkan av en applicerad elektrisk kraft. Detta fenomen med att dela neutrala molekyler kallas elektrolytisk dissociation. Till exempel sönderdelas kopparklorid CuCl2 vid dissociation i vattenlösning till kloridjoner (negativt laddade) och koppar (positivt laddade).

När elektroderna är anslutna till en strömkälla börjar det elektriska fältet verka på joner i en lösning eller smälta, eftersom kloranjoner rör sig till anoden (positiv elektrod) och kopparkatjoner till katoden (negativ elektrod).

När de når den negativa elektroden neutraliseras de positivt laddade kopparjonerna av överskottselektronerna vid katoden och blir neutrala atomer som avsätts på katoden. När de når den positiva elektroden donerar de negativt laddade klorjonerna en elektron vardera under interaktionen med den positiva laddningen på anoden. I detta fall kombineras de bildade neutrala kloratomerna i par för att bilda Cl2-molekyler, och klor frigörs i form av gasbubblor vid anoden.

Ofta åtföljs elektrolysprocessen av växelverkan mellan dissociationsprodukter (detta kallas sekundära reaktioner), när sönderdelningsprodukterna som frigörs på elektroderna interagerar med lösningsmedlet eller direkt med elektrodmaterialet. Ta till exempel elektrolysen av en vattenlösning av kopparsulfat (kopparsulfat - CuSO4).I detta exempel kommer elektroderna att vara gjorda av koppar.

Kopparsulfatmolekylen dissocierar och bildar en positivt laddad kopparjon Cu+ och en negativt laddad sulfatjon SO4-. Neutrala kopparatomer avsätts som en fast avlagring på katoden. På så sätt erhålls kemiskt ren koppar.

Sulfatjonen donerar två elektroner till den positiva elektroden och blir den neutrala radikalen SO4, som omedelbart reagerar med kopparanoden (sekundär anodreaktion). Reaktionsprodukten vid anoden är kopparsulfat, som går i lösning.

Det visar sig att när en elektrisk ström passerar genom en vattenlösning av kopparsulfat, löses kopparanoden helt enkelt gradvis upp och koppar fälls ut på katoden.I detta fall ändras inte koncentrationen av vattenlösningen av kopparsulfat.

År 1833 fastställde den engelske fysikern Michael Faraday, under experimentellt arbete, elektrolyslagen, som nu är uppkallad efter honom.

Faradays lag tillåter dig att bestämma mängden primärprodukter som frigörs på elektroderna under elektrolys. Lagen säger följande: "Massan m av ämnet som frigörs på elektroden vid elektrolys är direkt proportionell mot laddningen Q som har passerat genom elektrolyten."

Proportionalitetsfaktorn k i denna formel kallas den elektrokemiska ekvivalenten.

Massan av ämnet som frigörs på elektroden under elektrolys är lika med den totala massan av alla joner som kom till denna elektrod:

Formeln innehåller laddningen q0 och massan m0 för en jon, samt laddningen Q som passerade genom elektrolyten. N är antalet joner som anlände till elektroden när laddningen Q passerade genom elektrolyten.Därför kallas förhållandet mellan massan av jonen m0 och dess laddning q0 den elektrokemiska ekvivalenten av k.

Eftersom laddningen av en jon är numeriskt lika med produkten av valensen av ämnet och den elementära laddningen, kan den kemiska ekvivalenten representeras i följande form:

Där: Na är Avogadros konstant, M är ämnets molmassa, F är Faradays konstant.

Faktum är att Faraday-konstanten kan definieras som mängden laddning som måste passera genom elektrolyten för att frigöra en mol monovalent substans på elektroden. Faradays elektrolyslag tar då formen:

Fenomenet elektrolys används ofta i modern produktion. Till exempel framställs aluminium, koppar, väte, mangandioxid och väteperoxid industriellt genom elektrolys. Många metaller utvinns ur malmer och bearbetas genom elektrolys (elektroraffinering och elektroextraktion).

Dessutom, tack vare elektrolys, kemiska strömkällor… Elektrolys används vid rening av avloppsvatten (elektroextraktion, elektrokoagulering, elektroflotation). Många ämnen (metaller, väte, klor, etc.) erhålls genom elektrolys för galvanisering och galvanisering.

Se även:Produktion av väte genom elektrolys av vatten — teknik och utrustning