Elektrivool elektrolüütides
Elektrolüütide elektrivool on alati seotud aine ülekandega. Näiteks metallides ja pooljuhtides neid läbiva voolu läbimisel ainet ei kanta, sest neis keskkonnas on elektronid ja augud voolukandjad, elektrolüütides aga kanduvad. Seda seetõttu, et elektrolüütides toimivad aine positiivselt ja negatiivselt laetud ioonid vabade laengute kandjatena, mitte elektronide või aukude kandjana.
Elektrolüütide hulka kuuluvad paljude metallide sulaühendid, aga ka mõned tahked ained. Kuid seda tüüpi juhtmete peamised esindajad, mida tehnoloogias laialdaselt kasutatakse, on anorgaaniliste hapete, aluste ja soolade vesilahused.
Aine vabaneb elektroodidele, kui elektrivool läbib elektrolüüdikeskkonda. Seda nähtust nimetatakse elektrolüüs… Kui elektrivool läbib elektrolüüti, liiguvad aine positiivselt ja negatiivselt laetud ioonid samaaegselt vastassuundades.
Negatiivselt laetud ioonid (anioonid) sööstavad vooluallika positiivsele elektroodile (anoodile) ja positiivselt laetud ioonid (katioonid) selle negatiivsele poolusele (katoodile).
Ioonide allikad hapete, aluste ja soolade vesilahustes on neutraalsed molekulid, millest osa lõheneb rakendatud elektrijõu toimel. Seda neutraalsete molekulide lõhenemist nimetatakse elektrolüütiliseks dissotsiatsiooniks. Näiteks laguneb vaskkloriid CuCl2 dissotsiatsioonil vesilahuses kloriidioonideks (negatiivse laenguga) ja vaseks (positiivselt laetud).
Kui elektroodid on ühendatud vooluallikaga, hakkab elektriväli mõjuma lahuses või sulas olevatele ioonidele, kuna kloorianioonid liiguvad anoodile (positiivne elektrood) ja vaseketioonid katoodile (negatiivne elektrood).
Negatiivse elektroodi jõudmisel neutraliseeritakse positiivselt laetud vase ioonid katoodil olevate elektronide poolt ja muutuvad neutraalseteks aatomiteks, mis sadestuvad katoodile. Positiivse elektroodi jõudmisel loovutavad negatiivselt laetud klooriioonid anoodi positiivse laenguga interaktsiooni ajal ühe elektroni. Sel juhul ühinevad moodustunud neutraalsed klooriaatomid paarikaupa, moodustades Cl2 molekulid ja anoodil eraldub kloor gaasimullidena.
Tihti kaasneb elektrolüüsiprotsessiga dissotsiatsiooniproduktide interaktsioon (seda nimetatakse sekundaarseteks reaktsioonideks), kui elektroodidel eralduvad lagunemissaadused interakteeruvad lahustiga või vahetult elektroodi materjaliga. Võtame näiteks vasksulfaadi vesilahuse (vasksulfaat — CuSO4) elektrolüüsi.Selles näites on elektroodid valmistatud vasest.
Vasksulfaadi molekul dissotsieerub, moodustades positiivse laenguga vase iooni Cu + ja negatiivse laenguga sulfaadi iooni SO4-. Neutraalsed vase aatomid sadestatakse tahke kihina katoodile. Nii saadakse keemiliselt puhast vaske.
Sulfaadi ioon loovutab positiivsele elektroodile kaks elektroni ja muutub neutraalseks radikaaliks SO4, mis reageerib koheselt vaskanoodiga (sekundaarne anoodireaktsioon). Anoodi reaktsioonisaadus on vasksulfaat, mis läheb lahusesse.
Selgub, et kui elektrivool läbib vasksulfaadi vesilahust, siis vase anood lihtsalt järk-järgult lahustub ja katoodile sadestub vask.Sellisel juhul ei muutu vasksulfaadi vesilahuse kontsentratsioon.
Inglise füüsik Michael Faraday kehtestas 1833. aastal eksperimentaalse töö käigus elektrolüüsi seaduse, mis on nüüdseks saanud tema nime.
Faraday seadus võimaldab teil määrata elektrolüüsi käigus elektroodidele vabanevate primaarproduktide koguse. Seadus ütleb järgmist: "Elektrolüüsi käigus elektroodile vabaneva aine mass m on otseselt võrdeline elektrolüüdi läbinud laenguga Q."
Proportsionaalsustegurit k selles valemis nimetatakse elektrokeemiliseks ekvivalendiks.
Elektrolüüsi käigus elektroodile vabaneva aine mass võrdub kõigi sellele elektroodile tulnud ioonide kogumassiga:
Valem sisaldab iooni laengut q0 ja massi m0, samuti elektrolüüdi läbinud laengut Q. N on ioonide arv, mis saabusid elektroodile, kui laeng Q läbis elektrolüüdi.Seetõttu nimetatakse iooni massi m0 ja selle laengu q0 suhet k elektrokeemiliseks ekvivalendiks.
Kuna iooni laeng on arvuliselt võrdne aine valentsi ja elementaarlaengu korrutisega, saab keemilist ekvivalenti esitada järgmisel kujul:
Kus: Na on Avogadro konstant, M on aine molaarmass, F on Faraday konstant.
Tegelikult võib Faraday konstanti defineerida kui laengu hulka, mis peab läbima elektrolüüdi, et vabastada elektroodil üks mool monovalentset ainet. Faraday elektrolüüsi seadus on siis järgmine:
Elektrolüüsi nähtust kasutatakse tänapäevases tootmises laialdaselt. Näiteks alumiiniumi, vaske, vesinikku, mangaandioksiidi ja vesinikperoksiidi toodetakse tööstuslikult elektrolüüsi teel. Paljusid metalle ekstraheeritakse maakidest ja töödeldakse elektrolüüsi teel (elektrorafineerimine ja elektroekstraktsioon).
Samuti tänu elektrolüüsile keemilised vooluallikad… Elektrolüüsi kasutatakse reovee puhastamisel (elektroekstraktsioon, elektrokoagulatsioon, elektroflotatsioon). Paljud ained (metallid, vesinik, kloor jne) saadakse elektrolüüsi teel galvaniseerimiseks ja galvaniseerimiseks.
Vaata ka:Vesiniku tootmine vee elektrolüüsil — tehnoloogia ja seadmed