Elektroliza — mechanizm i zastosowania
Elektroliza to rozkład substancji pod wpływem prądu elektrycznego. Zachodzi w roztworach i stopionych solach, a jony wędrują do elektrod o przeciwnym znaku.
Elektroliza jest procesem odwrotnym do tego, co zachodzi w baterii. Zamiast wytwarzać prąd z reakcji chemicznej, wymusza reakcję za pomocą prądu.
Na czym polega
Do roztworu albo stopionej soli zanurza się dwie elektrody podłączone do źródła prądu. Jony obecne w substancji zaczynają wędrować:
- Kationy (dodatnie) płyną do katody (ujemnej)
- Aniony (ujemne) płyną do anody (dodatniej)
Na elektrodach zachodzą reakcje: kationy pobierają elektrony i ulegają redukcji, aniony je oddają i ulegają utlenieniu.
Zapamiętanie ułatwia obserwacja, że jony przyciągane są przez elektrodę o przeciwnym znaku — a nazwa jonu mówi o jego ładunku, nie o kierunku.
Warunek zajścia
Substancja musi zawierać swobodne jony, więc elektroliza zachodzi w roztworach elektrolitów albo w solach stopionych. Kryształ soli kuchennej prądu nie przewodzi, bo jony są w nim unieruchomione w sieci krystalicznej.
Dopiero rozpuszczenie w wodzie albo stopienie uwalnia jony i umożliwia przepływ. To dobre wyjaśnienie, dlaczego sucha sól nie przewodzi, a jej roztwór owszem.
Elektroliza wody
Najczęściej omawiany przykład. Woda rozkłada się na wodór i tlen w stosunku objętościowym 2:1 — tyle wodoru, ile jest go we wzorze cząsteczki.
Czysta woda przewodzi prąd bardzo słabo, dlatego do doświadczenia dodaje się niewielką ilość kwasu albo zasady. Sam dodatek nie ulega przy tym rozkładowi — jedynie umożliwia przepływ.
Zastosowania przemysłowe
- Otrzymywanie glinu — z tlenku glinu, bo metod chemicznych nie da się tu zastosować
- Produkcja sodu, chloru i wodorotlenku sodu — z roztworu soli kuchennej
- Galwanizacja — pokrywanie metali warstwą innego metalu
- Rafinacja miedzi — oczyszczanie do czystości powyżej 99,9 procent
Dlaczego aluminium było kiedyś droższe od złota
Glin jest trzecim najpospolitszym pierwiastkiem skorupy ziemskiej, a mimo to w XIX wieku uchodził za metal luksusowy. Powód leżał w trudności otrzymywania: glin tak mocno wiąże się z tlenem, że nie da się go wytopić metodami stosowanymi do żelaza.
Dopiero opracowanie elektrolizy stopionego tlenku glinu pod koniec XIX wieku obniżyło cenę o rzędy wielkości. To jeden z wyraźniejszych przykładów, jak metoda produkcji decyduje o wartości surowca bardziej niż jego rzadkość.
Galwanizacja
Przedmiot pokrywany podłącza się jako katodę, a metal powlekający jako anodę. Jony metalu przechodzą z anody do roztworu i osadzają się na przedmiocie.
Tak powstają powłoki chromowe, niklowe i srebrne. Grubość warstwy zależy od czasu i natężenia prądu, co pozwala ją precyzyjnie kontrolować — od kilku mikrometrów przy powłokach ozdobnych po znacznie grubsze przy ochronnych.