Электролитическая ячейка

Электролитическая ячейка — это электрохимическая ячейка , которая использует внешний источник электрической энергии для запуска химической реакции , которая в противном случае не произошла бы. ^[1]^: 64, 89^[2]^{: GL7} Внешний источник энергии представляет собой напряжение ячейки , приложенное между двумя электродами ; анод ( (положительно заряженный электрод) и катод отрицательно заряженный электрод), которые погружены в раствор электролита . ^[1]^: 89^[3]^{[ нужна страница ]} В этом отличие от гальванического элемента , который сам по себе является источником электрической энергии и основой батареи . ^[1]^: 64 Результирующая реакция, происходящая в гальваническом элементе, является спонтанной реакцией , т. е. свободная энергия Гиббса остается -ve, тогда как результирующая реакция, происходящая в электролитическом элементе, является обратной этой спонтанной реакции , т. е. свободная энергия Гиббса равна + ве. ^[3]^{[ нужна страница ]}

Принципы

В электролитической ячейке ток проходит через ячейку под действием внешнего напряжения , вызывая протекание несамопроизвольной химической реакции. В гальваническом элементе в результате самопроизвольной химической реакции протекает электрический ток. Равновесный электрохимический элемент существует в состоянии между электролитом и гальваническим элементом. Тенденция спонтанной реакции пропускать ток через внешнюю цепь точно уравновешивается противоэлектродвижущей силой, так что ток не течет. Если эта противоэлектродвижущая сила увеличивается, ячейка становится электролитической ячейкой, а если она уменьшается, ячейка становится гальванической ячейкой. ^[4]^: 354

Электролитическая ячейка состоит из трех компонентов: электролита и двух электродов ( катода и анода ). Электролит раствор обычно представляет собой воды или , других растворителей в которых ионы растворены . Расплавленные соли, такие как хлорид натрия, также могут действовать как электролиты. Под воздействием внешнего напряжения, приложенного к электродам, ионы электролита притягиваются к электроду с противоположным зарядом переноса заряда (также называемые фарадеевскими или окислительно-восстановительными , где могут происходить реакции ). Только при внешнем электрическом потенциале (т.е. напряжении) правильной полярности и достаточной величины электролитическая ячейка может разложить обычно стабильное или инертное химическое соединение в растворе. Подаваемая электрическая энергия может вызвать химическую реакцию, которая в противном случае не произошла бы самопроизвольно.

Майкл Фарадей определил катод ячейки как электрод, к которому катионы (положительно заряженные ионы, такие как ионы серебра Ag ⁺
) поток внутри клетки, который должен быть уменьшен за счет реакции с электронами (отрицательно заряженными) от этого электрода. Точно так же он определил анод как электрод, к которому прикрепляются анионы (отрицательно заряженные ионы, такие как ионы хлорида Cl ⁻
) течет внутри клетки и окисляется путем осаждения электронов на электроде. К внешнему проводу, соединенному с электродами гальванического элемента (или батареи), образующими электрическую цепь, катод относится положительно, а анод – отрицательно. Таким образом, в случае гальванического элемента положительный электрический ток течет от катода к аноду через внешнюю цепь.

Приложения

Видео, описывающее процесс электролитического восстановления, использованный в пушке капитана Кидда в Детском музее Индианаполиса.

Электролитические ячейки часто используются для разложения химических соединений в процессе, называемом электролизом , где «электро» означает электричество. ^[5] а греческое слово «лиз» означает «расставание» . Важными примерами электролиза являются разложение воды на водород и кислород , а также боксита на алюминий и другие химические вещества. Гальваника (например, меди, серебра, никеля или хрома) выполняется с использованием электролитической ячейки. Электролиз – это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC).

В промышленных масштабах электролизеры используются при электрорафинировании и электролизе некоторых цветных металлов. высокой чистоты Большинство алюминия , меди , цинка и свинца производятся промышленным способом в электролитических ячейках.

Как уже отмечалось, вода, особенно при добавлении ионов (соленой или кислой воды), может подвергаться электролизу (подвергаться электролизу). При движении от внешнего источника напряжения водород (H ⁺
) ионы текут к катоду, чтобы объединиться с электронами с образованием газообразного водорода в реакции восстановления. Аналогично, гидроксид (OH ⁻
) ионы текут к аноду, высвобождая электроны и водород ( H ⁺
) ион для производства газообразного кислорода в реакции окисления.

В расплавленном хлориде натрия (NaCl) при пропускании тока через соль анод окисляет ионы хлорида (Cl ⁻
) к газообразному хлору, он выделяет электроны на анод. Аналогично катод восстанавливает ионы натрия (Na ⁺
), который принимает электроны от катода и откладывает их на катоде в виде металлического натрия.

Хлорид натрия, растворенный в воде, также можно подвергать электролизу. Анод окисляет ионы хлорида (Cl ⁻
) и производит газообразный хлор (Cl ₂ ). Однако на катоде вместо восстановления ионов натрия до металлического натрия молекулы воды восстанавливаются до гидроксид-ионов (OH ⁻
) и газообразный водород (H ₂ ). Общим результатом электролиза является получение газообразного хлора , газообразного водорода и водного раствора гидроксида натрия (NaOH).

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Мерфи Б., Мерфи С., Хэтэуэй Б., ред. (1997). «Электрохимия I: гальванические элементы». Рабочий метод для вводных физико-химических расчетов . Кембридж, Соединенное Королевство: Королевское химическое общество . ISBN 0-85404-553-8 – через Интернет-архив.
^ Харрис, Дэниел К. (2010). Количественный химический анализ (8-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company . ISBN 978-1-4292-1815-3 . OCLC 540161465 – через Открытую библиотеку.
^ Перейти обратно: ^а ^б Скуг, Дуглас А.; Уэст, Дональд М.; Холлер, Ф. Джеймс; Крауч, Стэнли Р. (2014). Основы аналитической химии . Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning. ISBN 978-0-495-55828-6 . OCLC 824171785 .
^ Мортимер, Роберт Г. (2008). Физическая химия (3-е изд.). Амстердам: Академическая пресса/Эльзевир. ISBN 978-0-12-370617-1 . OCLC 196313033 - из Интернет-архива.
^ "электро-" . Словарь английского языка Коллинза (онлайн) . Проверено 4 ноября 2023 г.

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Мерфи Б., Мерфи С., Хэтэуэй Б., ред. (1997). «Электрохимия I: гальванические элементы». Рабочий метод для вводных физико-химических расчетов . Кембридж, Соединенное Королевство: Королевское химическое общество . ISBN 0-85404-553-8 – через Интернет-архив.

[2] Харрис, Дэниел К. (2010). Количественный химический анализ (8-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company . ISBN 978-1-4292-1815-3 . OCLC 540161465 – через Открытую библиотеку.

[Skoog-3] Перейти обратно: ^а ^б Скуг, Дуглас А.; Уэст, Дональд М.; Холлер, Ф. Джеймс; Крауч, Стэнли Р. (2014). Основы аналитической химии . Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning. ISBN 978-0-495-55828-6 . OCLC 824171785 .

[4] Мортимер, Роберт Г. (2008). Физическая химия (3-е изд.). Амстердам: Академическая пресса/Эльзевир. ISBN 978-0-12-370617-1 . OCLC 196313033 - из Интернет-архива.

[5] "электро-" . Словарь английского языка Коллинза (онлайн) . Проверено 4 ноября 2023 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]