Ηλεκτρολυτικά μέρη κυψελών, πώς λειτουργεί και εφαρμογές

Το ηλεκτρολυτικό κύτταρο είναι ένα μέσο όπου η ενέργεια ή ένα ηλεκτρικό ρεύμα χρησιμοποιείται για να πραγματοποιήσει μια μη αυθόρμητη αντίδραση μείωσης οξείδωσης. Αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια: την άνοδο και την κάθοδο.

Στην άνοδο (+) λαμβάνει χώρα οξείδωση, αφού σε αυτή τη θέση ορισμένα στοιχεία ή ενώσεις χάνουν ηλεκτρόνια. ενώ στην κάθοδο (-), η μείωση, δεδομένου ότι σε αυτήν ορισμένα στοιχεία ή ενώσεις κερδίζουν ηλεκτρόνια.

Στο ηλεκτρολυτικό κύτταρο συμβαίνει η αποσύνθεση ορισμένων ουσιών, προηγουμένως ιονισμένων, μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως ηλεκτρόλυση.

Η εφαρμογή του ηλεκτρικού ρεύματος παράγει έναν προσανατολισμό στην κίνηση των ιόντων στο ηλεκτρολυτικό κύτταρο. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα (κατιόντα) μεταναστεύουν στην κάθοδο φορτίου (-).

Εν τω μεταξύ, τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα (ανιόντα) μεταναστεύουν προς την φορτισμένη άνοδο (+). Αυτή η μεταφορά φορτίου αποτελεί ηλεκτρικό ρεύμα (κορυφαία εικόνα). Σε αυτή την περίπτωση, το ηλεκτρικό ρεύμα διεξάγεται με διαλύματα ηλεκτρολύτη, που υπάρχουν στο δοχείο του ηλεκτρολυτικού στοιχείου.

Ο νόμος ηλεκτρολύσεως του Faraday δηλώνει ότι η ποσότητα ουσίας που υφίσταται οξείδωση ή μείωση σε κάθε ηλεκτρόδιο είναι ευθέως ανάλογη προς την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που διέρχεται από το κύτταρο ή κύτταρο.

Ευρετήριο

• 1 μέρη
• 2 Πώς λειτουργεί ένα ηλεκτρολυτικό κύτταρο?
  • 2.1 Ηλεκτρόλυση τετηγμένου χλωριούχου νατρίου
  • 2.2 Down Cell
• 3 Εφαρμογές
  • 3.1 Βιομηχανική σύνθεση
  • 3.2 Επίστρωση και διύλιση μετάλλων
• 4 Αναφορές

Μέρη

Ένα ηλεκτρολυτικό κύτταρο αποτελείται από ένα δοχείο όπου εναποτίθεται υλικό που πρόκειται να βιώσει τις αντιδράσεις που προκαλούνται από το ηλεκτρικό φορτίο.

Το δοχείο έχει ένα ζεύγος ηλεκτροδίων που συνδέονται με μια μπαταρία συνεχούς ρεύματος. Τα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι από ένα αδρανές υλικό, δηλαδή δεν παρεμβαίνουν στις αντιδράσεις.

Σε σειρά με τη μπαταρία μπορεί να συνδεθεί ένα αμπερόμετρο για να μετρηθεί η ένταση του ρεύματος που ρέει μέσω του ηλεκτρολυτικού διαλύματος. Επίσης, ένα βολτόμετρο τοποθετείται παράλληλα για τη μέτρηση της διαφοράς τάσης μεταξύ του ζεύγους ηλεκτροδίων.

Πώς λειτουργεί ένα ηλεκτρολυτικό κύτταρο?

Ηλεκτρόλυση τετηγμένου χλωριούχου νατρίου

Προτιμάται να χρησιμοποιηθεί το τετηγμένο χλωριούχο νάτριο στο στερεό χλωριούχο νάτριο, επειδή το τελευταίο δεν παράγει ηλεκτρισμό. Τα ιόντα δονείται μέσα στα κρύσταλλα τους, αλλά δεν είναι ελεύθερα να κινηθούν.

Η αντίδραση καθόδου

Τα ηλεκτρόδια γραφίτη, ένα αδρανές υλικό, συνδέονται με τους ακροδέκτες της μπαταρίας. Ένα ηλεκτρόδιο συνδέεται με τον θετικό ακροδέκτη της μπαταρίας, αποτελώντας την άνοδο (+).

Εν τω μεταξύ, το άλλο ηλεκτρόδιο συνδέεται με τον αρνητικό ακροδέκτη της μπαταρίας, αποτελώντας την κάθοδο (-). Όταν το ρεύμα που προέρχεται από τη μπαταρία ρέει, παρατηρούνται τα εξής:

Μία μείωση του ιόντος Na λαμβάνει χώρα στην κάθοδο (-)⁺, που όταν αποκτούν ένα ηλεκτρόνιο μετατρέπονται σε μεταλλικό Na:

Na⁺  +   ε^-   => Na (1)

Ασημί-λευκό μεταλλικό νάτριο επιπλέει σε τετηγμένο χλωριούχο νάτριο.

Αντίδραση ανόδου

Αντίθετα, στην άνοδο (+) συμβαίνει η οξείδωση του ιόντος Cl^-, αφού χάνει ηλεκτρόνια και γίνεται αέριο χλώριο (Cl₂), μια διαδικασία που εκδηλώνεται με την εμφάνιση ανοικτού πράσινου αερίου στην άνοδο. Η αντίδραση που συμβαίνει στην άνοδο μπορεί να σχηματοποιηθεί, όπως παρακάτω:

2Cl^- => Cl₂ (g) + 2 e^-

Ο σχηματισμός μεταλλικού αερίου Na και Cl₂ από το NaCl δεν είναι μια αυθόρμητη διαδικασία, απαιτώντας θερμοκρασίες υψηλότερες από 800 º C. Το ηλεκτρικό ρεύμα παρέχει την ενέργεια για τον υποδεικνυόμενο μετασχηματισμό να εμφανίζεται στα ηλεκτρόδια του ηλεκτρολυτικού στοιχείου.

Τα ηλεκτρόνια καταναλώνονται στην κάθοδο (-), στη διαδικασία αναγωγής και παράγονται στην άνοδο (+) κατά τη διάρκεια της οξείδωσης. Επομένως, τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω του εξωτερικού κυκλώματος του ηλεκτρολυτικού στοιχείου από την άνοδο στην κάθοδο.

Η μπαταρία συνεχούς ρεύματος τροφοδοτεί την ενέργεια των ηλεκτρονίων να ρέουν αυθόρμητα από την άνοδο (+) στην κάθοδο (-).

Down Cell

Το κύτταρο Down είναι μια προσαρμογή του περιγραφόμενου ηλεκτρολυτικού στοιχείου και χρησιμοποιείται για τη βιομηχανική παραγωγή μεταλλικού Na και αερίου χλωρίου.

Το ηλεκτρολυτικό στοιχείο του Down έχει διατάξεις που επιτρέπουν τη συλλογή, ξεχωριστά, μεταλλικού αζώτου και χλωρίου. Αυτή η μέθοδος παραγωγής μεταλλικού νατρίου εξακολουθεί να είναι πολύ πρακτική.

Μόλις απελευθερωθεί με ηλεκτρόλυση, το υγρό μεταλλικό νάτριο αποστραγγίζεται, ψύχεται και κόβεται σε μπλοκ. Στη συνέχεια αποθηκεύεται σε αδρανές μέσο, ​​καθώς το νάτριο μπορεί να αντιδρά εκρηκτικά με επαφή με νερό ή ατμοσφαιρικό οξυγόνο.

Το αέριο χλώριο παράγεται στη βιομηχανία, κυρίως με την ηλεκτρόλυση χλωριούχου νατρίου σε μια λιγότερο δαπανηρή διαδικασία από την παραγωγή μεταλλικού νατρίου.

Εφαρμογές

Βιομηχανική σύνθεση

-Στη βιομηχανία, τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα χρησιμοποιούνται στην ηλεκτροκατεργασία και την ηλεκτροαπόθεση διαφόρων μη σιδηρούχων μετάλλων. Σχεδόν όλα τα αλουμίνια υψηλής καθαρότητας, ο χαλκός, ο ψευδάργυρος και ο μόλυβδος παράγονται βιομηχανικά σε ηλεκτρολυτικά κύτταρα.

-Το υδρογόνο παράγεται με ηλεκτρόλυση νερού. Αυτή η χημική διαδικασία χρησιμοποιείται επίσης για την απόκτηση βαρύ ύδατος (D₂Ο).

-Μέταλλα όπως Na, K και Mg λαμβάνονται με ηλεκτρόλυση τετηγμένων ηλεκτρολυτών. Επίσης, μη-μέταλλα όπως φθορίδια και χλωρίδια λαμβάνονται με ηλεκτρόλυση. Επιπλέον, ενώσεις όπως ΝαΟΗ, ΚΟΗ, Na₂CO₃ και KMnO₄ συντίθενται με την ίδια διαδικασία.

Επίστρωση και ραφινάρισμα μετάλλων

-Η διαδικασία επικάλυψης ενός κατώτερου μετάλλου με μέταλλο υψηλότερης ποιότητας είναι γνωστή ως ηλεκτρολυτική επικάλυψη. Ο σκοπός αυτού είναι να αποφευχθεί η διάβρωση του κατώτερου μετάλλου και να γίνει πιο ελκυστική. Τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα χρησιμοποιούνται για ηλεκτρολυτική επίλυση για το σκοπό αυτό.

-Τα ακάθαρτα μέταλλα μπορούν να καθαριστούν με ηλεκτρόλυση. Στην περίπτωση του χαλκού, πολύ λεπτά φύλλα μετάλλου τοποθετούνται στην κάθοδο και οι μεγάλες ράβδοι από ακάθαρτο χαλκό πρέπει να εξευγενιστούν στην άνοδο..

-Η χρήση των καπλαμάδων είναι κοινή στην κοινωνία. Τα κοσμήματα και τα σκεύη είναι συχνά ασήμι. Ο χρυσός ηλεκτροδιαβιβάζεται σε κοσμήματα και ηλεκτρικές επαφές. Πολλά αντικείμενα καλύπτονται με χαλκό για διακοσμητικούς σκοπούς.

-Τα αυτοκίνητα έχουν φτερό και άλλα κομμάτια χάλυβα χρώμιο. Το χρώμιο μιας υπεράσπισης αυτοκινήτου απαιτεί μόνο 3 δευτερόλεπτα ηλεκτροεναπόθεσης χρωμίου για να παράγει μια φωτεινή επιφάνεια πάχους 0.0002 mm.

-Η ταχεία ηλεκτροαπόθεση του μετάλλου παράγει μαύρες και τραχείες επιφάνειες. Η αργή ηλεκτροεναπόθεση παράγει ομαλές επιφάνειες. Τα "κονσέρβες κασσίτερου" είναι χάλυβας επικαλυμμένα με κασσίτερο με ηλεκτρόλυση. Μερικές φορές, αυτά τα κουτιά είναι χρωματισμένα σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου με το πάχος του εξαιρετικά λεπτού στρώματος χρωμίου.

Αναφορές

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Χημεία (8η έκδοση). CENGAGE Μάθηση.
2. eMedical Prep. (2018). Εφαρμογές της ηλεκτρόλυσης. Ανακτήθηκε από: emedicalprep.com
3. Wikipedia. (2018). Ηλεκτρολυτικό κύτταρο. Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org
4. Καθ. Shapley P. (2012). Γαλβανικά και ηλεκτρολυτικά κύτταρα. Ανακτήθηκε από: butane.chem.uiuc.edu
5. Bodner Research Web. (s.f.). Ηλεκτρολυτικά κύτταρα Ανακτήθηκε από: chemed.chem.purdue.edu