Ηλεκτρικό ρεύμα σε ηλεκτρολύτες

Το ηλεκτρικό ρεύμα στους ηλεκτρολύτες σχετίζεται πάντα με τη μεταφορά της ύλης. Στα μέταλλα και τους ημιαγωγούς, για παράδειγμα, η ύλη όταν τους περνάει ρεύμα δεν μεταφέρεται, γιατί σε αυτά τα μέσα τα ηλεκτρόνια και οι οπές είναι φορείς ρεύματος, αλλά στους ηλεκτρολύτες μεταφέρονται. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στους ηλεκτρολύτες, τα θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα της ουσίας δρουν ως φορείς ελεύθερων φορτίων και όχι καθόλου ηλεκτρονίων ή οπών.

Οι λιωμένες ενώσεις πολλών μετάλλων, καθώς και ορισμένων στερεών, ανήκουν στους ηλεκτρολύτες. Αλλά οι κύριοι εκπρόσωποι αυτού του τύπου αγωγών, που χρησιμοποιούνται ευρέως στην τεχνολογία, είναι υδατικά διαλύματα ανόργανων οξέων, βάσεων και αλάτων.

Η ουσία, όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το μέσο ηλεκτρολύτη, απελευθερώνεται στα ηλεκτρόδια. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ηλεκτρόλυση… Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη, τα θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα της ουσίας κινούνται ταυτόχρονα σε αντίθετες κατευθύνσεις.

Αρνητικά φορτισμένα ιόντα (ανιόντα) ορμούν στο θετικό ηλεκτρόδιο της πηγής ρεύματος (άνοδος) και θετικά φορτισμένα ιόντα (κατιόντα) στον αρνητικό πόλο του (κάθοδος).

Πηγές ιόντων σε υδατικά διαλύματα οξέων, βάσεων και αλάτων είναι ουδέτερα μόρια, μερικά από τα οποία διασπώνται υπό τη δράση ασκούμενης ηλεκτρικής δύναμης. Αυτό το φαινόμενο της διάσπασης ουδέτερων μορίων ονομάζεται ηλεκτρολυτική διάσταση. Για παράδειγμα, το χλωριούχο χαλκό CuCl2 αποσυντίθεται κατά τη διάσταση σε υδατικό διάλυμα σε ιόντα χλωρίου (αρνητικά φορτισμένα) και χαλκό (θετικά φορτισμένα).

Όταν τα ηλεκτρόδια συνδέονται σε μια πηγή ρεύματος, το ηλεκτρικό πεδίο αρχίζει να ενεργεί σε ιόντα σε διάλυμα ή λιώνει, καθώς τα ανιόντα χλωρίου μετακινούνται στην άνοδο (θετικό ηλεκτρόδιο) και τα κατιόντα χαλκού στην κάθοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο).

Φτάνοντας στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, τα θετικά φορτισμένα ιόντα χαλκού εξουδετερώνονται από την περίσσεια ηλεκτρονίων στην κάθοδο και γίνονται ουδέτερα άτομα που εναποτίθενται στην κάθοδο. Φτάνοντας στο θετικό ηλεκτρόδιο, τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα χλωρίου δίνουν ένα ηλεκτρόνιο το καθένα κατά την αλληλεπίδραση με το θετικό φορτίο στην άνοδο. Σε αυτή την περίπτωση, τα σχηματισμένα ουδέτερα άτομα χλωρίου συνδυάζονται σε ζεύγη για να σχηματίσουν μόρια Cl2 και το χλώριο απελευθερώνεται με τη μορφή φυσαλίδων αερίου στην άνοδο.

Συχνά, η διαδικασία ηλεκτρόλυσης συνοδεύεται από την αλληλεπίδραση προϊόντων διάστασης (αυτό ονομάζεται δευτερογενείς αντιδράσεις), όταν τα προϊόντα αποσύνθεσης που απελευθερώνονται στα ηλεκτρόδια αλληλεπιδρούν με τον διαλύτη ή απευθείας με το υλικό του ηλεκτροδίου. Πάρτε, για παράδειγμα, την ηλεκτρόλυση ενός υδατικού διαλύματος θειικού χαλκού (θειικός χαλκός — CuSO4).Σε αυτό το παράδειγμα, τα ηλεκτρόδια θα είναι κατασκευασμένα από χαλκό.

Το μόριο θειικού χαλκού διασπάται για να σχηματίσει ένα θετικά φορτισμένο ιόν χαλκού Cu + και ένα αρνητικά φορτισμένο θειικό ιόν SO4-. Τα ουδέτερα άτομα χαλκού εναποτίθενται ως στερεά απόθεση στην κάθοδο. Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνεται χημικά καθαρός χαλκός.

Το θειικό ιόν δίνει δύο ηλεκτρόνια στο θετικό ηλεκτρόδιο και γίνεται η ουδέτερη ρίζα SO4, η οποία αντιδρά αμέσως με την άνοδο του χαλκού (αντίδραση δευτερογενούς ανόδου). Το προϊόν της αντίδρασης στην άνοδο είναι θειικός χαλκός, ο οποίος διοχετεύεται σε διάλυμα.

Αποδεικνύεται ότι όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα υδατικό διάλυμα θειικού χαλκού, η άνοδος του χαλκού απλά διαλύεται σταδιακά και ο χαλκός κατακρημνίζεται στην κάθοδο.Σε αυτή την περίπτωση, η συγκέντρωση του υδατικού διαλύματος θειικού χαλκού δεν αλλάζει.

Το 1833, ο Άγγλος φυσικός Michael Faraday, κατά τη διάρκεια πειραματικών εργασιών, καθιέρωσε τον νόμο της ηλεκτρόλυσης, ο οποίος τώρα φέρει το όνομά του.

Ο νόμος του Faraday σάς επιτρέπει να προσδιορίσετε την ποσότητα των πρωτογενών προϊόντων που απελευθερώνονται στα ηλεκτρόδια κατά την ηλεκτρόλυση. Ο νόμος αναφέρει τα εξής: «Η μάζα m της ουσίας που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο κατά την ηλεκτρόλυση είναι ευθέως ανάλογη με το φορτίο Q που έχει περάσει από τον ηλεκτρολύτη».

Ο συντελεστής αναλογικότητας k σε αυτόν τον τύπο ονομάζεται ηλεκτροχημικό ισοδύναμο.

Η μάζα της ουσίας που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο κατά την ηλεκτρόλυση είναι ίση με τη συνολική μάζα όλων των ιόντων που ήρθαν σε αυτό το ηλεκτρόδιο:

Ο τύπος περιέχει το φορτίο q0 και τη μάζα m0 ενός ιόντος, καθώς και το φορτίο Q που πέρασε από τον ηλεκτρολύτη. N είναι ο αριθμός των ιόντων που έφθασαν στο ηλεκτρόδιο όταν το φορτίο Q πέρασε από τον ηλεκτρολύτη.Επομένως, ο λόγος της μάζας του ιόντος m0 προς το φορτίο του q0 ονομάζεται ηλεκτροχημικό ισοδύναμο του k.

Δεδομένου ότι το φορτίο ενός ιόντος είναι αριθμητικά ίσο με το γινόμενο του σθένους της ουσίας και του στοιχειώδους φορτίου, το χημικό ισοδύναμο μπορεί να αναπαρασταθεί με την ακόλουθη μορφή:

Όπου: Na είναι η σταθερά του Avogadro, M είναι η μοριακή μάζα της ουσίας, F είναι η σταθερά του Faraday.

Στην πραγματικότητα, η σταθερά Faraday μπορεί να οριστεί ως η ποσότητα φορτίου που πρέπει να περάσει μέσα από τον ηλεκτρολύτη για να απελευθερώσει ένα mol μονοσθενούς ουσίας στο ηλεκτρόδιο. Ο νόμος της ηλεκτρόλυσης του Faraday παίρνει τη μορφή:

Το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης χρησιμοποιείται ευρέως στη σύγχρονη παραγωγή. Για παράδειγμα, το αλουμίνιο, ο χαλκός, το υδρογόνο, το διοξείδιο του μαγγανίου και το υπεροξείδιο του υδρογόνου παράγονται βιομηχανικά με ηλεκτρόλυση. Πολλά μέταλλα εξάγονται από τα μεταλλεύματα και υποβάλλονται σε επεξεργασία με ηλεκτρόλυση (ηλεκτροδιύλιση και ηλεκτροεξαγωγή).

Επίσης, χάρη στην ηλεκτρόλυση, χημικές πηγές ρεύματος… Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιείται στην επεξεργασία λυμάτων (ηλεκτροεξαγωγή, ηλεκτροπήξη, ηλεκτροπλότευση). Πολλές ουσίες (μέταλλα, υδρογόνο, χλώριο κ.λπ.) λαμβάνονται με ηλεκτρόλυση για επιμετάλλωση και επιμετάλλωση.

Δείτε επίσης:Παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού — τεχνολογία και εξοπλισμός