Elektrolýza

Elektrolyt, elektroda, katoda, anoda, Faradayovy zákony, elektrický proud, oxidace, redukce... Slyšel jsi už někdy tyto pojmy a nejde Ti do hlavy, jak to spolu vše může souviset? Pokud si v tom jednou pro vždy chceš udělat jasno, tak je tento článek pro Tebe jako stvořený!

18. 2. 2014 Chemie jasně

Elektrolýza je velmi důležitý a v praxi využívaný redoxní děj. Aby mohla probíhat, potřebujeme dvě elektrody, zdroj stejnosměrného elektrického napětí a elektrolyt. Obě elektrody (katoda a anoda) jsou připojeny ke zdroji stejnosměrného elektrického napětí (každá k jinému pólu - na obrázku označené pomocí + a -) a musí být zavedeny do elektrolytu. Při takovém uspořádání vznikne uvnitř elektrolytu mezi elektrodami elektrické pole, které vyvolá usměrněný pohyb iontů v roztoku.

Základní pojmy

Elektroda

Vodič elektrického proudu 1. třídy, tj. kov, např. železný plíšek, který je vodivě spojen s nekovovou vodivou částí obvodu (nejčastěji roztokem elektrolytu).

Elektrolyt

Vodič elektrického proudu 2. třídy, tj. látka, která při rozpouštění nebo tavení disociuje (štěpí se) na volně pohyblivé nabité částice (ionty). Elektrolyty jsou především kyseliny, zásady a soli, např. chlorid sodný NaCl. Kovové vodiče tedy vedou elektrický proud prostřednictvím elektronů a průchodem proudu se chemicky nemění, zatímco roztoky a taveniny elektrolytů vedou proud prostřednictvím iontů a průchodem proudu se naopak rozkládají na ionty, které podléhají chemickým změnám.

Anoda

Elektroda, která je připojená ke kladnému pólu zdroje elektrického proudu, proto je nabitá kladně.

Katoda

Elektroda, která je připojená k zápornému pólu zdroje elektrického proudu, proto je nabitá záporně.

Elektrolýza

Složena ze dvou chemických dějů – oxidace a redukce.

Bez popisku

Obr. 1: Jednoduché schéma průbéhu elektrolýzy

Oxidace

Děj, při kterém se zvyšuje oxidační číslo částic obsažených v elektrolytu, to znamená, že částice odevzdává své přebytečné elektrony elektrodě. Elektrony mají záporný náboj, proto tento děj probíhá na anodě (kladná elektroda). Záporně nabité částice (anionty) tedy putují k anodě, kde se oxidují.

Redukce

Děj opačný k oxidaci. Dochází tedy ke snižování oxidačního čísla částic v elektrolytu, to znamená, že částice přijímají elektrony. Redukce probíhá na katodě, která „má přebytek elektronů“ - je záporně nabita (od zdroje k ní putují elektrony – teče k ní elektrický proud). Kladně nabité částice (kationty) putují ke katodě, kde se redukují.

Příkladem elektrolýzy může být elektrolýza vodného roztoku chloridu sodného (NaCl), který disociuje dle rovnice:

NaCl ↔ Na⁺ + Cl‾

Působením stejnosměrného elektrického proudu vznikají primární produkty elektrolýzy podle následujících rovnic:

Cl‾ – 1 elektron → Cl⁰ (oxidace, anoda)

Na⁺ + 1 elektron → Na⁰ (redukce, katoda)

Na katodě pak vyloučené atomy sodíku reagují s molekulami vody za vzniku sekundárních produktů elektrolýzy

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.

Elektrolýza je tedy děj, při němž průchodem stejnosměrného elektrického proudu roztokem nebo taveninou elektrolytu dochází k látkovým změnám. Podstatou těchto změn je výměna elektronů mezi nabitými ionty v elektrolytu a elektrodami. Z iontů se tak oxidačně-redukčními reakcemi stanou elektricky neutrální atomy nebo skupiny atomů, které se vylučují na elektrodách.

Využití

Elektrolytická výroba kovů – kovy vyrábíme elektrolýzou jejich roztavené rudy. Tímto způsobem lze získat i jiné prvky než kovové, například jod.
Galvanické pokovování povrchů různých kovových předmětů – anoda musí být z kovu, kterým chceme pokrýt náš předmět (např. chceme klíč pokrýt mědí), elektrolytem je roztok kationu kovu, ze kterého je vyrobena anoda (síran měďnatý), a katodu tvoří předmět, který chceme pokrýt kovem (klíč). Po připojení ke zdroji elektrického proudu začne probíhat elektrolýza, anoda se začne rozpouštět, protože měď začne přecházet do roztoku v podobě měďnatých kationů, a na katodě se budou redukovat měďnaté kationy na měď, budou se tedy vylučovat na klíči.

Bez popisku

Obr. 2: Galvanické pokovování - situace před a po elektrolýze

Přečišťování kovů – anoda je ze znečištěného (surového) kovu, elektrolytem je roztok kationů tohoto kovu a na katodě se vylučuje čistý kov.

Faradayovy zákony

Michael Faraday studoval vedení elektrického proudu v elektrolytech a své výsledky formuloval ve dvou zákonech popisujících průběh elektrolýzy po kvantitativní stránce:

Faradayův zákon: Hmotnost látek vyloučených na elektrodách je přímo úměrná celkovému elektrickému náboji, který přenesly iony při elektrolýze.Matematické vyjádření zákona: m=A∙Q nebo-li m=A∙I∙t, kde A je elektrochemický ekvivalent látky, Q je náboj, I je proud a t je doba, kterou proud prochází. Vysvětlení: čím déle a čím větší proud prochází elektrolytem při elektrolýze, tím více látky se vyloučí na elektrodách.
Faradayův zákon: Látková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní. Vysvětlení: Pokud provádíme elektrolýzu různých látek a použijeme vždy stejně velký proud, vyloučí se nám vždy stejná látková množství elektrolyzovaných látek.