Elektrický prúd v elektrolytoch

Vypracovala: Mgr. Zuzana Szőcsová

Sprostredkovanie elektrického prúdu v kvapalných látkach sa deje prostredníctvom pohyblivých záporných a kladných iónov. Ióny sú elektricky nabité častice. Podľa charakteru náboja ich delíme na anióny a katióny. Záporne nabité ióny nazývame anióny a kladne nabité ióny nazývame katióny.

Elektrolytická disociácia – je dej, pri ktorom dochádza k vzniku voľných iónov rozpadom rozpustenej látky v rozpúšťadle.

Elektrolyty – sú roztoky, ktoré vedú elektrický prúd, teda vodivé roztoky. Elektrolytom je napríklad rozpustená iónová zlúčenina v rozpúšťadle. Ióny, ktoré pri rozpúšťaní vznikajú vykonávajú spolu s molekulami rozpúšťadla neustály neusporiadaný pohyb.

Príklady elektrolytov

• vodné roztoky solí, napríklad: vodný roztok KCl, vodný roztok NaCl

• vodné roztoky kyselín, napríklad: vodný roztok HCl, vodný roztok H₂SO₄

• vodné roztoky zásad, napríklad: vodný roztok NaOH

Silné elektrolyty - Sú to látky, ktoré vo vodnom roztoku úplne alebo takmer úplne ionizujú (disociujú) (s podielom molekúl väčším ako 50%). Napríklad HCl, H₂SO₄.

Slabé elektrolyty - Patria medzi ne zlúčeniny, ktoré v roztokoch ionizujú podielom molekúl menším ako 50%.

Neelektrolyty – zlúčeniny, ktorých molekuly vo vodnom roztoku disociujú v množstve 0,01 %.

Elektrolýza

Elektrolýza – je dej, pri ktorom prechodom elektrického prúdu elektrolytom nastávajú látkové zmeny.

Jednoduchá schéma priebehu elektrolýzy

• do elektrolytu sú ponorené dve elektródy napojené na zdroj jednosmerného napätia

• medzi elektródami vnútri elektrolytu vzniká elektrické pole

• elektrické pole vyvoláva usmernený pohyb katiónov a aniónov v roztoku

• katióny sa pohybujú smerom ku katóde

• anióny sa pohybujú smerom k anóde

• s prenosom náboja nastáva aj prenos látky

• katóda je elektróda napojená na zápornú svorku zdroja

• anóda je elektróda napojená na kladnú svorku zdroja

Pri elektrolýze sa na katóde vždy vylučuje kov alebo plynný vodík. Výsledok elektrolýzy roztoku je závislí od charakteru elektród – teda materiálu, z ktorého sú ponorené elektródy vyrobené.

Toto je možné vysvetliť na jednoduchých príkladoch:

1. máme vodný roztok modrej skalice (CuSO₄). V tomto roztoku je ponorená jedna elektróda z medi – medená anóda a druhá elektróda z uhlíka – uhlíková katóda. Pri napojení sústavy na elektrický prúd sa meďnaté katióny Cu²⁺ pohybujú smerom ku katóde, reagujú s elektrónmi záporne nabitej katódy a vznikajú atómy medi. Na katóde sa vylučuje meď. Anióny SO₄^2- sa pohybujú smerom k anóde. Prebehne reakcia s meďou (medená anóda) a opätovne sa tvoria molekuly CuSO₄. Meď z anódy prechádza naspäť do roztoku.

2. máme vodný roztok modrej skalice (CuSO₄). V tomto roztoku sú ponorené elektródy z platiny. Keď sústavu napojíme na elektrický prúd tak môžeme vidieť, že na katóde sa znova vylúči meď. Prebehne chemická reakcia vody s aniónmi SO₄^2- a vzniká kyselina sírová H₂SO₄. Na anóde sa vylučuje plynný kyslík.

Teda z uvedených dvoch pokusov vyplýva, že pri elektrolýze dochádza k tomu, že:

1. ióny odovzdajú náboj a vylučujú sa na povrchu elektród ako atómy alebo ióny odovzdajú náboj a vylučujú sa na povrchu elektród ako molekuly

2. ióny reagujú s materiálom elektródy alebo ióny reagujú s elektrolytom

Faradayove zákony elektrolýzy

kde

Q – elektrický náboj

A – elektrochemický ekvivalent určitej látky (konštanta pre danú chemickú látku), jednotkou je kg.C^-1

I – prúd , ktorý prechádza elektrolytom

Δt – časový úsek, za ktorý prúd prechádza elektrolytom

Faradayov zákon – hmotnosti rozličných prvkov (alebo radikálov), ktoré sa vylúčia pri elektrolýze tým istým nábojom sú chemicky ekvivalentné.

Na vylúčenie množstva, ktoré zodpovedá chemickému ekvivalentu určitej látky je potrebný náboj o veľkosti Faradayovej konštanty (F = 96 487 C.mol^-1). Faradayova konštanta predstavuje náboj jedného mólu elektrónov.

Pre elektrochemický ekvivalent A platí vzťah:

A = M/(z.F)

F – Faradayova konštanta (C.mol^-1)

M – je mólová hmotnosť chemicky zmenenej látky (g.mol^-1)

z – vyjadruje počet elektrónov potrebných na oxidáciu alebo redukciu jednej častice pri elektrolýze

keď zhrnieme 1. a 2. Faradayov zákon do jedného vzťahu dostaneme vzťah pre výpočet hmotnosti chemicky premenenej látky m:

   alebo   

Je však potrebné počítať s tým, že pri elektrolýze prebiehajú rôzne vedľajšie deje, napríklad rozklad vody, na ktoré sa spotrebuje časť prúdu. Použitým Faradayových zákonov môžeme vypočítať množstvo látky, ktorá sa pri elektrolýze premení pôsobením známeho prúdu za určitý čas, alebo naopak prúd, ktorý v určitom čase elektrolyticky premení známe množstvo látky.

Použitá literatúra:

M. Bednařík, E. Svoboda a kolektív, Fyzika pre 2. ročník gymnázií, SPN Bratislava 1993, ISBN 80-08-02100-4, str. 103 - 108