Elektrický proud v elektrolytech

Transkript

1 Elektrolytický vodič Elektrický proud v elektrolytech Vezěe nádobu s destilovanou vodou (ta nevede el. proud) a vlože do ní dvě elektrody, které připojíe do zdroje stejnosěrného napětí. Do vody nasypee NaCl. iliapéretr ukáže výchylku. Vodný roztoke chloridu sodného prochází elektrický proud, neboť tento roztok obsahuje volné částice s náboje Na + a Cl -. Na + se pohybuje v elektrické poli s její intenzitou a Cl - opačně. Tí dostanee iontový vodič elektrického proudu. V kapalné skupenství valenční elektrony vodíku se přisunou blíže k atou kyslíku, tvoří olekula vody el. dipól. Dostane-li se krystal NaCl do styku s takovýi elektrickýi dipóly (při ponoření do vody), elektrické pole olekul vody naruší soudržnost ezi ionty, jež se uvolňují a vstupují do vody. Vzniká roztok NaCl ve vodě. Faraday nazval takový vodič elektrolyte. Elektrolyt vzniká vždy při rozpouštění iontové sloučeniny v nějaké rozpouštědle. Elektrolyty jsou např. vodní roztoky nohých solí, kyselin, zásad (hydroxidy). Vznik volných iontů rozpade rozpuštěné látky v rozpouštědle nazýváe elektrolytická disociace. Elektroda vodič, který do roztoku přivádíe el. proud. Elektroda připojená na kladný pól zdroje je anoda, na záporný pĺ je připojena katoda. ezi elektrodai vznikne elektrické pole a tepelný pohyb iontů se skládá se složkou uspořádaného pohybu: kationy (kladně nabité ionty) se začnou pohybovat ke katodě, anionty (záporně nabité ionty) k anodě. Podle dohody je sěr proudu určen sěre pohybu kladných iontů. Závislost proudu v elektrolytu na napětí Do nádoby dáe slabý roztok kyseliny sírové, elektrody jsou platinové. Proud ěříe iliapéretre. Jakile na elektrody připojíe alé napětí, iliapéretr zaznaená alý proud, který rychle zanikne. Při poalé zvyšování napětí se jev vždy opakuje (tj. počáteční proud vždy zanikne). Trvalý proud vzniká, když překročíe určité ezní napětí U r zvané rozkladné napětí. Poto proud s napětí lineárně roste. Průběh proudu Iv závislosti na napětí U je znázorněn na obrázku. Při napětí U od 0 do U r paltí I=0. Pro U větší než U r je proud lineární funkcí napětí, takže platí U U r I =, kde R je za stálé teploty konstanta a nazývá se odpor elektrolytu. S rostoucí R teplotou klesá viskozita rozpouštědla, číž se zenšují síly, které brzdí pohyb iontů. Ionty se v elektrické poli pohybují rychleji, proto je elektrický proud (při stejné napětí ezi elektrodai) větší.

2 Elektrolýza Příklady elektrolýzy: 1) Do vodného roztoku síranu ěďnatého ponoříe ěděnou anodu a uhlíkovou katodu. Roztoke necháe prochází elektrický proud. Proces, který proběhne, znázorňuje schéa: Kationty ědi Cu 2+ přijíají na katodě elektrony, vylučují se jako atoy ědi a vytvářejí ěděný povlak na katodě. Anionty SO reagují s ateriále anody a vytvářejí nové olekuly CuSO. Na anodě se tedy z roztoku nic vylučovat nebude, naopak ěď z anody přechází do roztoku. Z anody přechází do roztoku právě tolik atoů ědi, kolik se vylučuje na katodě a koncentrace roztoku se neění. 2) V Hofannově přístroji jsou platinové elektrody a elektrolyte je zředěná kyselina sírová. Vodíkové kationy přijíají na katodě elektrony a vylučují se jako plynný vodík. Anionty SO předávají elektrony anodě a reagují s vodou za vzniku nové olekuly kyseliny sírové a plynného kyslíku. Počet olekul vodíku vyloučeného na katodě je dvakrát větší než počet olekul kyslíku vyloučeného na anodě. Proto i obje vodíku je dvojnásobný. Koncentrace roztoku se postupně zvyšuje. Faradayovy zákony pro elektrolýzu. Při elektrolýze se na katodě vždy vylučuje vodík nebo kov. Také na anodě se ůže vylučovat látka, například kyslík při elektrolýze zředěné kyseliny sírové v Hofannově přístroji. ůže však také docházet jen k rozpouštění anody jako při elektrolýze roztoku CuSO v nádobě s ěděnou anodou. Každá vyloučená olekula přije z katody nebo odevzdá anodě několik elektronů. Označe z počet eleentárních nábojů potřebných pro vyloučení jedné olekuly. Q Projde-li povrche elektrody celkový náboj Q = I t, je počet vyloučených olekul: N =. z e Vynásobíe-li to to číslo hotností jedné olekuly = N A, kde je olární hotnost

3 vyloučené látky, N A je Avogadrova konstanta, dostanee celkovou hotnost vyloučené látky: = Q = Q. N ez Fz A F je Faradayova konstanta. Její hodnota je 9,65 10 C ol -1. Toto vyjadřuje zákon, který objevil Faraday: 1. Faradayův zákon: Hotnost vyloučené látky je přío úěrná náboji Q, který prošel elektrolyte, = A Q = A I t Konstanta úěrnosti A, která je pro danou látku charakteristická, se nazývá elektrocheický -1 ekvivalent látky. Udává se v jednotkách kg C. 2. Faradayův zákon: Elektrocheický ekvivalent látky vypočtee, jestliže její olární hotnost vydělíe Faradayovou konstantou a počte elektronů potřebných k vyloučení jedné olekuly, A =. Fz Látková nožství různých látek vyloučených při elektrolýze týž náboje jsou cheicky ekvivalentní. (ohou se navzáje nahradit v cheické sloučenině, nebo se ohou bezze zbytku sloučit). Využití elektrolýzy á široké technické využití při galvanické pokovování, galvanické leptání, v elektroetalurgii (např. při výrobě hliníku elektrolýzou taveniny oxidu hlinitého nebo sodíku elektrolýzou taveniny NaCl)

4 Galvanické články V předchozí kapitole jse si vysvětlili příčinu vzniku stálého napětí v galvanické článku. Pokud budou elektrody ze stejného ateriálu v téže elektrolytu jsou napětí na dvojvrstvách galvanického článku stejně veliká, avšak opačné polarity, takže jejich součet je 0. Jestliže touto soustavou již procházel proud, vznikly elektrolýzou rozkladné produkty, které zěnily povrch elektrod. Např. vznikal ná kyslík případně vodík. Tí ná vznikají dvojvrstvy (ezi elektrolyte a kove). Na nově vzniklých dvojvrstvách je jiné napětí než předtí a součet napětí na nich je různý od nuly. Elektrody se polarizovaly. Elektrootorické napětí, které vznikne polarizací elektrod (polarizační napětí) je opadčné polarity než napětí původně připojené na elektrody. Za krátký čas po uzavření obvodu dosahuje polarizační napětí hodnoty vnějšího napětí, a proto proud z počáteční hodnoty klesne rychle na nulu. Horní hranicí polarizačního napětí je rozkladné napětí, takže větší vnější napětí je ožno v obvodě udržovat trvalý proud. Soustava elektrolytu a dvou rozličných elektrod je vždy zdroje napětí a tvoří galvanický článek. Spojíe-li vodivě póly galvanického článku, vzniká ve vnější vedení proud od kladného pólu článku k zápornéu a uvnitř článku pokračuje od záporné elektrody ke kladné. Článek se tí stává současně soustavou, ve které probíhá elektrolýza (způsobená vlastní proude článku), kladný pól je teď katodou, záporný pól anodou. ůže nastat polarizace elektrod článek se polarizuje a tí napětí článku postupně klesá. Druhy článků: Voltův článek Skládá se z Zn a Cu elektrody, které jsou ponořeny do roztoku kyseliny sírové. Elektrolytický potenciál pro ěď je +0,3 V a pro zinek a tentýž elektrolyt +0,76 V, je elektrootorické napětí ezi elektrodai 1,1 V. Toto napětí lze zěřit voltetre a ezi elektrodai. Zinková elektroda tvoří záporný pól a ěděná elektroda kladný pól Voltova článku. Jestliže k touto článku připojíe spotřebič, obvode prochází elektrický proud. Napětí na svorkách zatíženého článku klesne na svorkové napětí. Proud ve vnější obvodu je tvořen elektrony, v elektrolytu ionty a na povrchu elektrod probíhá výěna nábojů. Ze zinkové katody se odvádějí elektrony vnější obvode, rovnovážný stav ezi ní a elektrolyte se poruší. Proto do roztoku zředěné kyseliny sírové přecházejí další kladné ionty zinku a reagují s ionty SO. Kladné vodíkové ionty obsažené v roztoku přibírají na ěděné anodě elektrony přicházející vnější obvode od záporné elektrody. Tyto ionty se tak ění na elektricky neutrální částice a vylučují se na elektrodě. V zapojené Voltově článku se tedy z katody uvolňují do roztoku ionty Zn 2+ a vzniká síran zinečnatý. Z roztoku se vylučuje vodík. Těito ději se článek postupně znehodnotí.

5 Danielův článek Se skládá ze zinkové elektrody ponořené do vodného roztoku ZnSO a ěděné elektrody ponořené do vodného roztoku CuSO. Oba elektrolyty jsou od sebe odděleny pórovitou stěnou, která zabraňuje síchání, ale uožňuje přechod iontů. Elektrootorické napětí tohoto článku je 1,1 V. Suchý článek Označuje se Zn C. Používá se v kapesních svítilnách. Zápornou elektrodu katodu tvoří zinková nádoba. Kladnou tvoří uhlíková tyčinka obklopená sěsí burelu n O 2 a koksu. Jako elektrolyt slouží roztok saliaku (NH CL), jíž je napuštěna vrstva filtračního papíru.vršek je zaplněn asfalte. Elektrootorické napětí článku je 1,5 V. Připojíe-li spotřebič, prochází elektrický proud celý obvode a uvnitř článku probíhá elektrolýza, při které se zinková nádoba rozpouští a na uhlíkové elektrodě se vylučuje vodík, který reaguje s burele za vzniku vody. Tí se zabraňuje polarizaci uhlíkové elektrody. Zinková nádobka se rozpouštění postupně znehodnocuje a elektrolyt vybitého článku ůže proniknout do jeho okolí. Tři suché články tvoří plochou baterii. Alkalické články Jsou trvanlivější než články zinko-uhlíkové a při stejných rozěrech ohou dodat několikrát větší elektrickou energii. Záporná elektroda lisovaná z práškového zinku je obklopena kladnou elektrodou tvořenou sěsí burelu a grafitu. Elektrolyte je hydroxid draselný (KOH) rozpuštěný v gelu. Ocelový plášť odděluje bezpečně elektrolyt od okolního prostoru i po vybití článku.

6 Akuulátor Doposud nejpoužívanější je olověný akuulátor, vynalezený 1859 Francouze Gastone Planté. do nádoby s vodný roztoke kyseliny sírové vložíe dvě olověné elektrody (zpravidla ve svislé poloze v určité vzdálenosti od sebe). Desky reagují s kyselinou sírovou a pokryjí se sírane olovnatý PbSO. Stejné elektrické dvojvrstvy ají stejný elektrolytický potenciál, proto je ezi nii nulové elektrootorické napětí. Když k deská připojíe vnější zdroj stejnosěrného napětí, nastává proces nabíjení akuulátoru: Nabíjení: Záporné ionty SO se pohybují k anodě, odevzdají jí náboj a přetvářejí PbSO na na PbSO 2 (tavo hnědý). Kladné ionty vodíku se pohybují ke katodě, kde přebírají elektrony a redukují PbSO na Pb (tavo šedý). ezi anodou a katodou naěříe elektrootorické napětí 2,75 V. Při nabíjení se vytváří kyselina sírová (roste koncentrace a elektrolyt houstne). Vznikl sekundární zdroj stejnosěrného napětí nabitý akuulátor. Vybíjení: Při připojení nabitého akuulátoru ke spotřebiči nastává proces vybíjení akuulátoru. Kyselina sírová se spotřebovává a roztok řídne. Obě elektrody se postupně pokrývají sírane olovnatý (návrat do nenabitého stavu akuulátoru) a tí rychle klesá napětí z hodnoty 2,75 V na 2,1 V. Na této hodnotě se dlouho udržuje. Poto opět klesá a při dosažení hodnoty 1,85 V se usí akuulátor znovu nabít připojení na vhodný vnější zdroj stejnosěrného napětí. Cheický proces vybíjení ůžee vyjádřit touto rovnicí: PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 2PbSO + 2H 2 O (sěr šipky vpravo je vybíjení, opačný sěr je nabíjení) Jednotlivé články olověných akuulátorů se spojují za sebou do akuulátorových baterií 6 V, 12 V, 2 V. Kapacita akuulátoru se určuje celkový náboje, který je akuulátor schopen vydat při vybíjení. ětí se v coulobech, v praxi též v apér hodinách (Ah). Praktické rady Pro nabíjení akuulátoru platí obecná zásada, že velikost nabíjecího proudu by ěl odpovídat zhruba 10% kapacity akuulátoru. Čí enší proude a déle budee akuulátor nabíjet, tí lépe se akuulátor dobije a také se prodlouží její životnost. Většina dnešních akuulátorů je bezúdržbová. Dříve se na dolití akuulátorů používala destilovaná voda. Při zapojování akuulátoru zpět do otocyklu je dobré kontakty očistit drátěný kartáče a naazat vazelínou kvůli zabránění oxidace v podobě bílého povlaku, který jinak zhoršuje elektrickou vodivost. Plynování elektrod Při nabíjení totiž utíkají z elektrolytu bubliny, jako by se akuulátor vařil. Tento jev pouze ukazuje na to, že rozklad síranu olova byl již ukončen a začíná elektrolýza vody. Voda se při nabíjení akuulátoru rozkládá na vodík a kyslík, a proto se akuulátory usí nabíjet na volné prostranství či ve větrané ístnosti. Jinak při nahroadění těchto plynů ůže dojít k výbuchu.

7 Použití elektrolýzy. Koroze kovů Cheické zěny probíhající na elektrodách se dají využít různý způsobe. a) Vylučování kovu na katodě. V roztoku ůže být více druhů iontů. Volbou vhodného napětí se dá dosáhnout, že se na katodě vylučují žádané ionty. Takto se elektrolyticky vyrábějí čisté kovy. Za elektrolyt se použije roztok soli kovu, který se á vylučovat na katodě, a za anodu se použije deska z příslušného kovu. Toto využíváe na elektrolytickou výrobu kovu, na elektrolytické čištění kovů, na galvanické pokovování, hotovení odlitků, je ožno získat otisky dřevorytů, graofonových desek. b) Elektrolytický kondenzátor á dvě kovové elektrody, ezi niiž je elektrolyt. Za anodu se nejčastěji používá hliník. Průchode proudu se na anodě vyloučí kyslí, který okysličuje povrch anody. Kysličník hlinitý je však dobrý izolante, takže vytvoření vrstvy kysličníku hlinitého se proud přeruší. áe kondenzátor, kde kov anody je jední, elektrolyt druhý vodiče kondenzátoru. Dielektrike je tenká vrstva kysličníku, a proto á kondenzátor velkou kapacitu při alých rozěrech. Sí být připojen jen podle vyznačené polarity. Porušování povrchu kovů cheický nebo elektrocheický působení se nazývá koroze kovů. ateriál užitkových předětů obsahuje přiíšené kovy a při dotyku s vodou se vytvářejí ikročlánky, které jsou zdroje proudů způsobujících elektrolýzu kov se rozleptá. Díky tou je třeba kovy chránit proti korozi. Voda používaná v parních kotlích se zbavuje iontů (pára se vede přes železné, niklové nebo hořčíkové třísky). Někdy se chráněný stroj připojuje na záporný pól zvláštního zdroje napětí katodová ochrana. Jindy se ění povrch chráněného kovu anebo kov přísadai, které zenšují elektrootorické napětí irkočlánků. Povrch kovů se ůže chránit i nanášení ochranných vrstev, laků, nátěrů.