ELEKTROLITIKUS CELLA: ALKATRÉSZEK, MŰKÖDÉSE ÉS ALKALMAZÁSAI - KÉMIA - 2024

Az elektrolitikus cella olyan közeg, amelyben energiát vagy elektromos áramot használnak nem spontán oxid redukciós reakció végrehajtására. Két elektródból áll: az anódból és a katódból.

Az anódnál (+) oxidáció történik, mivel ezen a helyen egyes elemek vagy vegyületek elektronokat veszítenek; míg a katódban (-) a redukció, mivel benne egyes elemek vagy vegyületek elektronokat nyernek.

Forrás: RodEz2, a Wikimedia Commonsból

Az elektrolitikus cellában egyes, korábban ionizált anyagok bomlása az elektrolízis néven ismert eljárással történik.

Az elektromos áram alkalmazása orientációt hoz létre az ionok mozgásában az elektrolitikus cellában. A pozitív töltésű ionok (kationok) a töltőkatód felé vándorolnak (-).

Eközben a negatív töltésű ionok (anionok) a töltött anód (+) felé vándorolnak. Ez a töltésáram elektromos áramot képez (felső kép). Ebben az esetben az elektromos áramot elektrolitoldatok vezetik, amelyek az elektrolitcelem tartályában vannak.

Faraday elektrolízis-törvénye szerint az anyag mennyisége, amely minden elektródon oxidálódik vagy redukálódik, közvetlenül arányos a cellán vagy cellán áthaladó áram mennyiségével.

Alkatrészek

Az elektrolitikus elem egy tartályból áll, ahol az anyag, amely az elektromos töltés által kiváltott reakciókon megy keresztül, lerakódik.

A tartálynak van egy pár elektródja, amelyek egy egyenáramú akkumulátorhoz vannak csatlakoztatva. Az általában alkalmazott elektródok inert anyagból készülnek, azaz nem vesznek részt a reakciókban.

Egy ampermérőt sorosan lehet csatlakoztatni az akkumulátorral, hogy megmérjék az elektrolit-oldaton átáramló áram intenzitását. Ezenkívül egy voltmérőt is párhuzamosan helyezünk az elektródapárok közötti feszültségkülönbség mérésére.

Hogyan működik az elektrolitikus cella?

Az olvadt nátrium-klorid elektrolízise

Az olvadt nátrium-klorid előnyösebb a szilárd nátrium-klorid helyett, mivel ez utóbbi nem vezet áramot. Az ionok rezegnek a kristályokon belül, de szabadon mozoghatnak.

Katód reakció

A grafitból, egy közömbös anyagból készült elektródok az akkumulátor kapcsaihoz vannak csatlakoztatva. Az elektróda az akkumulátor pozitív kivezetéséhez van csatlakoztatva, amely az anódot (+) képezi.

Eközben a másik elektróda az akkumulátor negatív kivezetésével van összekötve, és így képezi a katódot (-). Amikor az áram áramlik az akkumulátorról, a következőket kell figyelembe venni:

A (-) katódban a Na ⁺ -ion ​​redukciója van, amely egy elektron megszerzésekor fémes Na -vé alakul:

Na ⁺ + e ^- => Na (l)

Az ezüstfehér fém-nátrium úszik az olvadt nátrium-klorid tetején.

Anód reakció

Éppen ellenkezőleg, a anód (+) oxidációját a Cl ^- ion történik, mivel ez veszít elektronokat, és átalakul klórgázt (Cl ₂), amely folyamat nyilvánul meg a megjelenése az anód egy gáz halványzöld színű. Az anódnál fellépő reakciót a következők szerint lehet felvázolni:

2Cl ^- => Cl ₂ (g) + 2 e ^-

A fém-Na és Cl ₂ -gáz képződése a NaCl-ból nem spontán folyamat, amelynek végrehajtásához 800º C-nál magasabb hőmérsékletet kell megkövetelni. Az elektromos áram biztosítja az energiát a jelzett átalakuláshoz, amely az elektrolitikus cella elektródáin zajlik.

Az elektronok a katódon (-) fogyasztódnak a redukció során, és az anódon (+) képződnek az oxidáció során. Ezért az elektronok az elektrolitikus elem külső áramkörén keresztül áramlanak az anódtól a katódig.

Az egyenáramú akkumulátor biztosítja az elektronok energiáját, hogy nem spontán módon áramolhassanak az anódtól (+) a katódhoz (-).

Down cell

A Down-elem az elektrolitikus cella adaptációja, amelyet fém-Na és klórgáz ipari előállításához használnak.

A Down-i elektrolitikus cella olyan eszközökkel rendelkezik, amelyek lehetővé teszik a fém-nátrium és a klórgáz külön-külön gyűjtését. A fém-nátrium előállításának ez a módszere továbbra is nagyon praktikus.

Az elektrolízissel történő felszabadulás után a folyékony fém-nátriumot leürítjük, lehűtjük és blokkokra daraboljuk. Később inert közegben tárolják, mivel a nátrium robbanásveszélyes reakcióba léphet vízzel vagy légköri oxigénnel való érintkezéssel.

A klórgázt az iparban főleg nátrium-klorid elektrolízisével állítják elő olcsóbb eljárás során, mint a fém-nátrium előállítása.

Alkalmazások

Ipari szintézisek

- Az iparban az elektrolitikus cellákat használják különféle színesfém elektromos finomítására és galvanizálására. Szinte az összes nagy tisztaságú alumínium, réz, cink és ólom iparilag előállított elektrolitikus cellákban.

-A hidrogént a víz elektrolízisével állítják elő. Ezt a kémiai eljárást nehézvíz (D ₂ O) előállításához is használják.

- Az olyan fémeket, mint a Na, K és Mg, az olvadt elektrolitok elektrolízisével nyerik. A nemfémeket, például a fluoridokat és a kloridokat elektrolízissel nyerik. Továbbá, vegyületek, mint például nátrium-hidroxid, kálium-hidroxid, nátrium ₂ CO ₃ és KMnO ₄ szintetizáljuk ugyanezen eljárás szerint.

Fémek bevonása és finomítása

- Az alacsonyabb szintű fémnek egy magasabb minőségű fémmel történő bevonására szolgáló eljárást galvanizálásnak nevezzük. Ennek célja az alsó fém korróziójának megakadályozása és vonzóbbá tétele. Elektrolitikus cellákat használnak erre a célra a galvanizálás során.

- Az tiszta fémeket elektrolízissel finomíthatják. Réz esetén nagyon vékony fémlemezeket helyeznek a katódra, és a szennyezett réz nagy pálcáit az anódra.

-A furnérozott tárgyak használata a társadalomban gyakori. Az ékszerek és edények általában ezüstből készülnek; az arany elektro-lerakódik az ékszerekre és az elektromos érintkezőkre. Sok tárgyat dekoratív célokra réz borít.

-Az autók krómozott acél sárvédővel és más alkatrészekkel vannak felszerelve. Az autó lökhárítójának krómozása mindössze 3 másodpercig tartja a króm elektro-lerakódását, hogy 0,0002 mm vastag fényes felületet kapjon.

-A fém gyors lerakódása fekete és durva felületeket eredményez. A lassú lerakódás sima felületeket eredményez. A "konzervdobozok" elektrolízissel ónnal bevonatos acélból készülnek. Időnként ezeket a kannákat egy másodperc töredékében krómozzák, a krómréteg vastagsága pedig rendkívül vékony.

Irodalom

1. Whitten, Davis, Peck és Stanley. Kémia. (8. kiadás). CENGAGE Tanulás.
2. eMedical Prep. (2018). Az elektrolízis alkalmazása. Helyreállítva: emedicalprep.com
3. Wikipedia. (2018). Elektrolitikus cella. Helyreállítva: en.wikipedia.org
4. Prof. Shapley P. (2012). Galvanikus és elektrolitikus cellák. Helyreállítva: butane.chem.uiuc.edu
5. Bodner kutatási web. (Sf). Elektrolitikus cellák. Helyreállítva: chemed.chem.purdue.edu