OGNIWO ELEKTROLITYCZNE: CZĘŚCI, SPOSÓB DZIAŁANIA I ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Elektrolizer jest medium, w którym energia lub prąd elektryczny stosuje się w celu przeprowadzenia niespontaniczne reakcji tlenku redukcji. Składa się z dwóch elektrod: anody i katody.

Na anodzie zachodzi (+) utlenianie, ponieważ w tym miejscu niektóre pierwiastki lub związki tracą elektrony; podczas gdy w katodzie (-) redukcja, ponieważ w niej niektóre pierwiastki lub związki zyskują elektrony.

Źródło: RodEz2, z Wikimedia Commons

W ogniwie elektrolitycznym rozkład niektórych uprzednio zjonizowanych substancji zachodzi w procesie znanym jako elektroliza.

Doprowadzenie prądu elektrycznego nadaje orientację w ruchu jonów w elektrolizerze. Jony naładowane dodatnio (kationy) migrują w kierunku katody ładującej (-).

Tymczasem ujemnie naładowane jony (aniony) migrują w kierunku naładowanej anody (+). Ten transfer ładunku stanowi prąd elektryczny (górne zdjęcie). W tym przypadku prąd elektryczny przewodzą roztwory elektrolitów obecne w zbiorniku ogniwa elektrolitycznego.

Prawo elektrolizy Faradaya mówi, że ilość substancji, która ulega utlenieniu lub redukcji na każdej elektrodzie, jest wprost proporcjonalna do ilości energii elektrycznej, która przechodzi przez ogniwo lub ogniwo.

Części

Ogniwo elektrolityczne składa się z pojemnika, w którym osadza się materiał, który będzie podlegał reakcjom indukowanym przez ładunek elektryczny.

Pojemnik ma parę elektrod, które są podłączone do akumulatora prądu stałego. Zwykle stosowane elektrody są wykonane z materiału obojętnego, to znaczy nie biorą udziału w reakcjach.

Do akumulatora można podłączyć szeregowo amperomierz w celu pomiaru natężenia prądu przepływającego przez roztwór elektrolitu. Równolegle umieszczony jest woltomierz do pomiaru różnicy napięć między parą elektrod.

Jak działa ogniwo elektrolityczne?

Elektroliza stopionego chlorku sodu

Stopiony chlorek sodu jest korzystniejszy niż stały chlorek sodu, ponieważ ten ostatni nie przewodzi elektryczności. Jony wibrują w twoich kryształach, ale nie mogą się swobodnie poruszać.

Reakcja katodowa

Elektrody wykonane z grafitu, materiału obojętnego, są podłączone do zacisków akumulatora. Elektroda jest podłączona do dodatniego bieguna akumulatora, stanowiącego anodę (+).

Tymczasem druga elektroda jest podłączona do ujemnego bieguna akumulatora, stanowiącego katodę (-). Gdy prąd płynie z akumulatora, obserwuje się:

W katodzie (-) następuje redukcja jonu Na ⁺ , który po zdobyciu elektronu przekształca się w metaliczny Na:

Na ⁺ + e ^- => Na (l)

Srebrzysto-biały metaliczny sód unosi się na szczycie stopionego chlorku sodu.

Reakcja anodowa

Wręcz przeciwnie, w anodzie (+) zachodzi utlenianie jonu Cl ^- , ponieważ traci on elektrony i przekształca się w gaz chlor (Cl ₂ ), co objawia się pojawieniem się w anodzie gazu bladozielony kolor. Reakcję zachodzącą na anodzie można opisać w następujący sposób:

2 Cl ^- => Cl ₂ (g) + 2 e ^-

Powstawanie metalicznego gazu Na i Cl ₂ z NaCl nie jest procesem samorzutnym, wymagającym do wystąpienia temperatur wyższych niż 800ºC. Prąd elektryczny dostarcza energię do wskazanej przemiany, która zachodzi na elektrodach ogniwa elektrolitycznego.

Elektrony są zużywane na katodzie (-) w procesie redukcji i powstają na anodzie (+) podczas utleniania. Dlatego elektrony przepływają przez obwód zewnętrzny ogniwa elektrolitycznego od anody do katody.

Bateria prądu stałego dostarcza energię dla elektronów, które nie spontanicznie przepływają z anody (+) do katody (-).

Down Cell

Ogniwo Down to adaptacja ogniwa elektrolitycznego opisanego i używanego do przemysłowej produkcji metalicznego Na i chloru gazowego.

Ogniwo elektrolityczne firmy Down jest wyposażone w urządzenia umożliwiające oddzielne gromadzenie metalicznego sodu i chloru gazowego. Ta metoda produkcji metalicznego sodu jest nadal bardzo praktyczna.

Po uwolnieniu przez elektrolizę ciekły metaliczny sód jest osuszany, chłodzony i cięty na bloki. Później jest przechowywany w środowisku obojętnym, ponieważ sód może reagować wybuchowo w kontakcie z wodą lub tlenem atmosferycznym.

Chlor gazowy jest wytwarzany w przemyśle głównie przez elektrolizę chlorku sodu w procesie tańszym niż produkcja metalicznego sodu.

Aplikacje

Syntezy przemysłowe

-W przemyśle ogniwa elektrolityczne są wykorzystywane do elektrorafinacji i galwanizacji różnych metali nieżelaznych. Niemal wszystkie wysokiej czystości aluminium, miedź, cynk i ołów są produkowane przemysłowo w ogniwach elektrolitycznych.

-Wodór jest wytwarzany przez elektrolizę wody. Ta procedura chemiczna jest również stosowana do otrzymywania ciężkiej wody (D ₂ O).

-Metale, takie jak Na, K i Mg, uzyskuje się w wyniku elektrolizy stopionych elektrolitów. Ponadto w procesie elektrolizy otrzymuje się niemetale, takie jak fluorki i chlorki. Ponadto w ten sam sposób syntetyzuje się związki takie jak NaOH, KOH, Na ₂ CO ₃ i KMnO ₄ .

Powlekanie i uszlachetnianie metali

-Proces powlekania gorszego metalu metalem wyższej jakości jest znany jako galwanizacja. Ma to na celu zapobieżenie korozji dolnego metalu i uczynienie go bardziej atrakcyjnym. W tym celu w galwanotechnice stosuje się ogniwa elektrolityczne.

-Nieczyste metale można rafinować przez elektrolizę. W przypadku miedzi na katodzie umieszcza się bardzo cienkie arkusze metalu, a na anodzie duże pręty zanieczyszczonej miedzi.

-Użycie przedmiotów fornirowanych jest powszechne w społeczeństwie. Biżuteria i zastawa stołowa są zwykle srebrne; złoto osadza się elektrolitycznie na biżuterii i stykach elektrycznych. Wiele przedmiotów jest pokrytych miedzią w celach dekoracyjnych.

-Samochody mają błotniki ze stali chromowanej i inne części. Chromowanie zderzaka samochodowego zajmuje zaledwie 3 sekundy elektroosadzania chromu, aby uzyskać błyszczącą powierzchnię o grubości 0,0002 mm.

-Szybkie elektroosadzanie metalu daje czarne i szorstkie powierzchnie. Powolne elektroosadzanie daje gładkie powierzchnie. „Puszki” są wykonane ze stali pokrytej cyną metodą elektrolizy. Czasami te puszki są chromowane w ułamku sekundy, a grubość warstwy chromu jest niezwykle cienka.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. eMedical Prep. (2018). Zastosowania elektrolizy. Odzyskany z: emedicalprep.com
3. Wikipedia. (2018). Ogniwo elektrolityczne. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. Prof. Shapley P. (2012). Ogniwa galwaniczne i elektrolityczne. Odzyskany z: butane.chem.uiuc.edu
5. Sieć badawcza Bodner. (sf). Ogniwa elektrolityczne. Odzyskany z: chemed.chem.purdue.edu