Электролитическая ячейка - Electrolytic cell

Электролитическая ячейка девятнадцатого века для производства кислородно-водород

An электролитическая ячейка использует электрическую энергию для управления несамопроизвольным редокс реакция. Электролитическая ячейка - это своего рода электрохимическая ячейка. Он часто используется для разложения химических соединений в процессе, называемом электролиз - греческое слово лизис средства разбить. Важными примерами электролиза являются разложение воды в водород и кислород, и боксит в алюминий и другие химические вещества. Гальваника (например, из меди, серебра, никеля или хрома) выполняется с помощью электролитической ячейки. Электролиз - это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC).

Электролитическая ячейка состоит из трех частей: электролит и два электрода (a катод и анод ). В электролит обычно решение из воды или другой растворители в котором ионы растворены. Расплавленные соли, такие как хлорид натрия также являются электролитами. Когда управляется внешним Напряжение приложенные к электродам, ионы в электролите притягиваются к электроду с противоположным зарядом, где могут происходить реакции с переносом заряда (также называемые фарадеевскими или окислительно-восстановительными). Только с внешним электрический потенциал (т. е. напряжение) правильной полярности и достаточной величины может электролитическая ячейка разложить обычно стабильную или инертный химическое соединение в растворе. Предоставляемая электрическая энергия может вызвать химическую реакцию, которая в противном случае не произошла бы самопроизвольно.

Гальванические элементы по сравнению с электролитическими элементами

В электролитической ячейке ток пропускается через ячейку под действием внешнего напряжения, вызывая протекание в противном случае не спонтанной химической реакции. В гальваническом элементе в результате самопроизвольной химической реакции протекает электрический ток. Равновесная электрохимическая ячейка находится в состоянии между электролитической ячейкой и гальванической ячейкой. Тенденция спонтанной реакции к проталкиванию тока через внешнюю цепь точно уравновешивается внешним напряжением, которое называется противодействующей электродвижущей силой или противодействующей ЭДС. так что ток не течет. Если это противодействующее напряжение увеличивается, ячейка становится электролитической ячейкой, а если оно уменьшается, ячейка становится гальванической ячейкой.^[1]

Определения анода и катода зависят от заряда и разряда

Майкл Фарадей определил катод ячейки в качестве электрода, к которому катионы (положительно заряженные ионы, такие как ионы серебра Ag⁺
) поток внутри ячейки, чтобы быть уменьшенный реагируя с электронами (отрицательно заряженными) этого электрода.

Таким же образом он определил анод как электрод, к которому анионы (отрицательно заряженные ионы, такие как ионы хлорида Cl⁻
) поток внутри ячейки, чтобы быть окисленный путем осаждения электронов на электроде.

К внешнему проводу, подключенному к электродам гальванический элемент (или же аккумулятор ), образующих электрическую цепь, катод положительный, а анод отрицательный. Таким образом, положительный электрический ток течет от катода к аноду через внешнюю цепь в случае гальванического элемента.

Рассмотрим две гальванические ячейки с неравным напряжением. Пометьте положительный и отрицательный электроды каждого из них как P и N соответственно. Поместите их в цепь с P рядом с P и N рядом с N, чтобы элементы имели тенденцию направлять ток в противоположных направлениях. Ячейка с более высоким напряжением разряжается, что делает ее гальванической ячейкой, поэтому P - катод, а N - анод, как описано выше. Но ячейка с меньшим напряжением заряжается, что делает ее электролитической ячейкой. В электролитической ячейке отрицательные ионы движутся к P, а положительные - к N. Таким образом, P-электрод электролитической ячейки соответствует определению анода, когда электролитическая ячейка заряжается. Точно так же электрод N электролитической ячейки является катодом, пока электролитическая ячейка заряжается.

Использует

Воспроизвести медиа

Видео с описанием процесса электролитического восстановления, используемого на Пушка капитана Кидда в Детский музей Индианаполиса

Как уже отмечалось, вода, особенно при добавлении ионов (соленая вода или кислая вода), может быть электролизованный (подлежит электролизу). При возбуждении от внешнего источника напряжения H⁺
ионы текут к катоду, чтобы объединиться с электронами с образованием газообразного водорода в реакции восстановления. Точно так же, ОН⁻
ионы поступают к аноду, чтобы высвободить электроны и H⁺
ион для образования газообразного кислорода в реакции окисления.

В расплавленном хлориде натрия, когда через соль пропускают ток, анод окисляет ионы хлорида (Cl⁻
) в газообразный хлор, выпуская электроны на анод. Аналогичным образом катод восстанавливает ионы натрия (Na⁺
), которые принимают электроны с катода и осаждаются на катоде в виде металлического натрия.

Растворенный в воде NaCl также может подвергаться электролизу. Анод окисляет ионы хлора (Cl⁻
) и Cl₂ газ производится. Однако на катоде вместо ионов натрия, восстанавливаемых до металлического натрия, молекулы воды восстанавливаются до гидроксид-ионов (OH⁻
) и газообразный водород (H₂). Общий результат электролиза - производство хлор газ, водород и водный едкий натр (NaOH) раствор.

В промышленных масштабах электролитические ячейки используются для электрорафинирования и электровыделение из нескольких цветных металлов. Почти все высокой чистоты алюминий, медь, цинк и вести производится промышленным способом в электролитических ячейках.

Типы клеток

Примечания

^ Страница 354 из Мортимер, Физическая химия, 3-е издание.