Elektros srovė elektrolituose

Elektros srovė elektrolituose visada yra susijusi su medžiagos perdavimu. Pavyzdžiui, metaluose ir puslaidininkiuose srovei tekant medžiaga neperduodama, nes šiose terpėse elektronai ir skylės yra srovės nešikliai, o elektrolituose jie perduodami. Taip yra todėl, kad elektrolituose teigiamai ir neigiamai įkrauti medžiagos jonai veikia kaip laisvųjų krūvių nešėjai, o ne elektronai ar skylės.

Išlydyti daugelio metalų junginiai, taip pat kai kurios kietosios medžiagos, priklauso elektrolitams. Tačiau pagrindiniai šio tipo laidininkų, plačiai naudojamų technologijoje, atstovai yra vandeniniai neorganinių rūgščių, bazių ir druskų tirpalai.

Medžiaga, elektros srovei tekant per elektrolito terpę, išsiskiria ant elektrodų. Šis reiškinys vadinamas elektrolizė… Kai elektros srovė teka per elektrolitą, teigiamai ir neigiamai įkrauti medžiagos jonai vienu metu juda priešingomis kryptimis.

Neigiamą krūvį turintys jonai (anijonai) veržiasi prie teigiamo srovės šaltinio elektrodo (anodo), o teigiamai įkrauti jonai (katijonai) – į jo neigiamą polių (katodą).

Jonų šaltiniai vandeniniuose rūgščių, bazių ir druskų tirpaluose yra neutralios molekulės, kai kurios iš jų skyla veikiamos elektros jėgos. Šis neutralių molekulių skilimo reiškinys vadinamas elektrolitine disociacija. Pavyzdžiui, vario chloridas CuCl2, disociuodamasis vandeniniame tirpale, suyra į chlorido jonus (neigiamai įkrautus) ir vario (teigiamai įkrautus).

Kai elektrodai yra prijungti prie srovės šaltinio, elektrinis laukas pradeda veikti tirpale arba lydyme esančius jonus, nes chloro anijonai juda į anodą (teigiamas elektrodas), o vario katijonai – į katodą (neigiamas elektrodas).

Pasiekę neigiamą elektrodą, teigiamai įkrauti vario jonai yra neutralizuojami elektronų pertekliaus prie katodo ir tampa neutraliais atomais, kurie nusėda ant katodo. Pasiekę teigiamą elektrodą, neigiamai įkrauti chloro jonai, sąveikaudami su teigiamu anodo krūviu, padovanoja po vieną elektroną. Tokiu atveju susidarę neutralūs chloro atomai susijungia poromis ir sudaro Cl2 molekules, o chloras dujų burbuliukų pavidalu išsiskiria prie anodo.

Dažnai elektrolizės procesą lydi disociacijos produktų sąveika (tai vadinama antrinėmis reakcijomis), kai ant elektrodų išsiskiriantys skilimo produktai sąveikauja su tirpikliu arba tiesiogiai su elektrodo medžiaga. Paimkime, pavyzdžiui, vario sulfato (vario sulfato – CuSO4) vandeninio tirpalo elektrolizę.Šiame pavyzdyje elektrodai bus pagaminti iš vario.

Vario sulfato molekulė disocijuoja ir susidaro teigiamai įkrautas vario jonas Cu + ir neigiamai įkrautas sulfato jonas SO4-. Neutralūs vario atomai nusodinami kaip kietos nuosėdos ant katodo. Tokiu būdu gaunamas chemiškai grynas varis.

Sulfato jonas atiduoda du elektronus teigiamam elektrodui ir tampa neutraliu radikalu SO4, kuris iš karto reaguoja su vario anodu (antrinė anodo reakcija). Reakcijos produktas prie anodo yra vario sulfatas, kuris patenka į tirpalą.

Pasirodo, elektros srovei praeinant per vandeninį vario sulfato tirpalą, vario anodas tiesiog palaipsniui ištirpsta ir ant katodo nusėda varis.Tokiu atveju vandeninio vario sulfato tirpalo koncentracija nekinta.

1833 metais anglų fizikas Michaelas Faradėjus, vykdydamas eksperimentinį darbą, nustatė elektrolizės dėsnį, kuris dabar pavadintas jo vardu.

Faradėjaus dėsnis leidžia nustatyti pirminių produktų kiekį, kuris elektrolizės metu išsiskiria ant elektrodų. Įstatymas teigia taip: „Medžiagos, išsiskiriančios ant elektrodo elektrolizės metu, masė m yra tiesiogiai proporcinga krūviui Q, pratekėjusiam per elektrolitą“.

Proporcingumo koeficientas k šioje formulėje vadinamas elektrocheminiu ekvivalentu.

Medžiagos, išsiskiriančios ant elektrodo elektrolizės metu, masė yra lygi visų jonų, atėjusių į šį elektrodą, masei:

Formulėje yra jono krūvis q0 ir jono masė m0, taip pat per elektrolitą praėjęs krūvis Q. N – jonų, patekusių į elektrodą, kai per elektrolitą praėjo krūvis Q, skaičius.Todėl jono masės m0 ir jo krūvio q0 santykis vadinamas k elektrocheminiu ekvivalentu.

Kadangi jono krūvis skaitine prasme yra lygus medžiagos valentingumo ir elementariojo krūvio sandaugai, cheminį ekvivalentą galima pavaizduoti tokia forma:

Kur: Na yra Avogadro konstanta, M yra medžiagos molinė masė, F yra Faradėjaus konstanta.

Tiesą sakant, Faradėjaus konstanta gali būti apibrėžta kaip krūvio kiekis, kuris turi praeiti per elektrolitą, kad ant elektrodo išsiskirtų vienas molis monovalentės medžiagos. Faradėjaus elektrolizės dėsnis įgyja tokią formą:

Šiuolaikinėje gamyboje plačiai naudojamas elektrolizės reiškinys. Pavyzdžiui, aliuminis, varis, vandenilis, mangano dioksidas ir vandenilio peroksidas gaminami pramoniniu būdu elektrolizės būdu. Daugelis metalų išgaunami iš rūdų ir apdorojami elektrolizės būdu (elektrovalymas ir elektroekstrakcija).

Be to, elektrolizės dėka, cheminiai srovės šaltiniai… Elektrolizė naudojama nuotekų valymui (elektroekstrakcija, elektrokoaguliacija, elektroflotacija). Daugelis medžiagų (metalai, vandenilis, chloras ir kt.) gaunami elektrolizės būdu galvanizavimui ir galvanizavimui.

Taip pat žiūrėkite:Vandenilio gamyba vandens elektrolizės būdu – technologija ir įranga