Was ist Elektrolyse und wo wird sie eingesetzt?

Die Frage, was Elektrolyse ist, wird im Physikunterricht der Schule behandelt und ist für die meisten Menschen kein Geheimnis. Eine andere Sache ist seine Bedeutung und praktische Anwendung. Dieses Verfahren wird in verschiedenen Branchen mit großem Nutzen eingesetzt und kann für den Heimwerker nützlich sein.

Was ist Elektrolyse?

Die Elektrolyse ist ein Komplex spezifischer Prozesse im System aus Elektroden und Elektrolyt, wenn ein elektrischer Gleichstrom durch sie fließt. Sein Mechanismus beruht auf dem Auftreten eines Ionenstroms. Der Elektrolyt ist ein Leiter vom Typ 2 (Ionenleitfähigkeit), bei der elektrolytische Dissoziation auftritt. Es ist mit der Zersetzung in Ionen mit positiven (Kation) und negativ (Anion) aufladen.

Das Elektrolysesystem enthält zwangsläufig einen positiven (Anode) und negativ (Kathode) Elektrode. Wenn ein elektrischer Gleichstrom angelegt wird, beginnen sich Kationen zur Kathode und Anionen zur Anode zu bewegen. Die Kationen sind hauptsächlich Metallionen und Wasserstoff, und die Anionen sind Sauerstoff, Chlor. An der Kathode binden Kationen überschüssige Elektronen an sich, wodurch die Reduktionsreaktion Men+ + ne → Me (wobei n die Wertigkeit des Metalls ist). An der Anode hingegen wird ein Elektron vom Anion abgegeben, wobei eine oxidative Reaktion stattfindet.

Somit wird in dem System ein Redox-Prozess bereitgestellt. Es ist wichtig zu bedenken, dass für seinen Fluss entsprechende Energie benötigt wird. Es muss von einer externen Stromquelle bereitgestellt werden.

Faradaysche Gesetze der Elektrolyse

Der große Physiker M. Faraday hat es mit seiner Forschung ermöglicht, nicht nur die Natur der Elektrolyse zu verstehen, sondern auch die notwendigen Berechnungen für ihre Umsetzung durchzuführen. 1832 erschienen seine Gesetze, die die Hauptparameter der laufenden Prozesse verknüpften.

Erstes Gesetz

Das erste Gesetz von Faraday besagt, dass die Masse der Substanz, die an der Anode reduziert wird, direkt proportional zu der im Elektrolyten induzierten elektrischen Ladung ist: m = kq = k*I*t, wobei q die Ladung ist, k der Koeffizient oder das elektrochemische Äquivalent des Stoffes, I ist die Stärke des durch den Elektrolyten fließenden Stroms, t ist die Stromdurchgangszeit.

Zweites Gesetz

Das zweite Gesetz von Faraday ermöglichte die Bestimmung des Proportionalitätskoeffizienten k. Es hört sich so an: Das elektrochemische Äquivalent einer Substanz ist direkt proportional zu ihrer Molmasse und umgekehrt proportional zu ihrer Wertigkeit. Das Gesetz wird wie folgt ausgedrückt:

k = 1/F*A/z, wobei F die Faraday-Konstante ist, A die Molmasse der Substanz ist, z ihre chemische Wertigkeit ist.

Unter Berücksichtigung beider Gesetze kann die endgültige Formel zur Berechnung der auf der Elektrode des Stoffes abgeschiedenen Masse hergeleitet werden: m = A*I*t/(n*F), wobei n die Anzahl der an der Elektrolyse beteiligten Elektronen ist. Normalerweise entspricht n der Ladung des Ions. Aus praktischer Sicht ist der Zusammenhang zwischen der Masse eines Stoffes und dem angelegten Strom wichtig, der es ermöglicht, den Vorgang durch Änderung seiner Stärke zu steuern.

Schmelzelektrolyse

Eine der Möglichkeiten der Elektrolyse ist die Verwendung einer Schmelze als Elektrolyt. In diesem Fall nehmen nur Schmelzionen am Elektrolyseprozess teil. Ein klassisches Beispiel ist die Elektrolyse von Salzschmelze NaCl (Salz). Negative Ionen strömen zur Anode, wodurch Gas freigesetzt wird (Kl). An der Kathode findet eine Metallreduktion statt, d. h. Abscheidung von reinem Na, gebildet aus positiven Ionen, die überschüssige Elektronen angezogen haben. Andere Metalle können auf ähnliche Weise erhalten werden (K, Ca, Li usw.) aus dem Massaker an den entsprechenden Salzen.

Bei der Elektrolyse in einer Schmelze lösen sich die Elektroden nicht auf, sondern wirken nur als Stromquelle mit. Bei ihrer Herstellung können Sie Metall, Graphit und einige Halbleiter verwenden. Wichtig ist, dass das Material eine ausreichende Leitfähigkeit aufweist. Eines der gängigsten Materialien ist Kupfer.

Merkmale der Elektrolyse in Lösungen

Die Elektrolyse in wässriger Lösung unterscheidet sich deutlich von einer Schmelze. Hier finden drei konkurrierende Prozesse statt: Wasseroxidation mit Sauerstoffentwicklung, Anionenoxidation und anodische Auflösung des Metalls. An dem Prozess sind die Ionen von Wasser, Elektrolyt und Anode beteiligt.Dementsprechend kann an der Kathode eine Reduktion von Wasserstoff, Elektrolytkationen und Anodenmetall stattfinden.

Die Möglichkeit, dass diese konkurrierenden Prozesse auftreten, hängt von der Größe der elektrischen Potentiale des Systems ab. Nur der Prozess, der weniger externe Energie benötigt, wird fortgesetzt. Folglich werden Kationen mit dem maximalen Elektrodenpotential an der Kathode reduziert und Anionen mit dem niedrigsten Potential werden an der Anode oxidiert. Das Elektrodenpotential von Wasserstoff wird als "0" angenommen. Für Kalium ist es beispielsweise (-2,93 V), Natrium - (-2,71 V), führen (-0,13 V), während Silber (+0,8 V).

Elektrolyse in Gasen

Gas kann nur in Gegenwart eines Ionisators die Rolle eines Elektrolyten spielen. In diesem Fall verursacht der durch das ionisierte Medium fließende Strom den notwendigen Prozess an den Elektroden. Die Faradayschen Gesetze gelten jedoch nicht für die Gaselektrolyse. Für die Umsetzung sind folgende Voraussetzungen erforderlich:

1. Ohne künstliche Ionisation des Gases helfen weder Hochspannung noch Hochstrom.
2. Für die Elektrolyse eignen sich nur Säuren, die keinen Sauerstoff enthalten und im gasförmigen Zustand vorliegen, sowie einige Gase.

Wichtig! Wenn die notwendigen Bedingungen erfüllt sind, läuft der Prozess ähnlich ab wie die Elektrolyse in einem flüssigen Elektrolyten.

Merkmale der an Kathode und Anode ablaufenden Prozesse

Für die praktische Anwendung der Elektrolyse ist es wichtig zu verstehen, was an beiden Elektroden passiert, wenn ein elektrischer Strom angelegt wird. Typische Prozesse sind:

1. Kathode. Positiv geladene Ionen strömen darauf zu. Hier findet die Reduktion von Metallen oder die Entwicklung von Wasserstoff statt. Je nach kationischer Aktivität gibt es mehrere Kategorien von Metallen.Metalle wie Li, K, Ba, St, Ca, Na, Mg, Be, Al werden nur aus geschmolzenen Salzen gut reduziert. Wird eine Lösung verwendet, so wird durch die Elektrolyse von Wasser Wasserstoff freigesetzt. Es ist möglich, eine Reduktion in Lösung zu erreichen, jedoch mit einer ausreichenden Konzentration an Kationen, für die folgenden Metalle - Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Ti, Co, Mo, Sn, Pb. Am einfachsten verläuft der Prozess für Ag, Cu, Bi, Pt, Au, Hg.
2. Anode. In diese Elektrode treten negativ geladene Ionen ein. Oxidiert nehmen sie Elektronen aus dem Metall auf, was zu ihrer anodischen Auflösung führt, d.h. Übergang in positiv geladene Ionen, die zur Kathode geschickt werden. Anionen werden auch nach ihrer Aktivität klassifiziert. Solche Anionen PO4, CO3, SO4, NO3, NO2, ClO4, F können nur aus Schmelzen abgegeben werden In wässrigen Lösungen werden nicht sie elektrolysiert, sondern Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff. Anionen wie OH, Cl, I, S, Br reagieren am leichtesten.

Bei der Sicherstellung der Elektrolyse ist die Oxidationsneigung des Elektrodenmaterials zu berücksichtigen. Dabei stechen inerte und aktive Anoden hervor. Inerte Elektroden bestehen aus Graphit, Kohlenstoff oder Platin und beteiligen sich nicht an der Ionenversorgung.

Faktoren, die den Elektrolyseprozess beeinflussen

Der Elektrolyseprozess hängt von folgenden Faktoren ab:

1. Elektrolytzusammensetzung. Verschiedene Verunreinigungen haben einen signifikanten Einfluss. Sie werden in 3 Typen unterteilt - Kationen, Anionen und organische Stoffe. Substanzen können mehr oder weniger negativ sein als das Grundmetall, was den Prozess stört. Unter den organischen Verunreinigungen stechen Schadstoffe (z. B. Öle) und Tenside hervor. Ihre Konzentration hat maximal zulässige Werte.
2. Stromdichte. Gemäß den Faradayschen Gesetzen nimmt die Masse der abgeschiedenen Substanz mit zunehmender Stromstärke zu. Es treten jedoch ungünstige Umstände auf - konzentrierte Polarisation, erhöhte Spannung, starke Erwärmung des Elektrolyten. Vor diesem Hintergrund gibt es für jeden konkreten Fall optimale Stromdichtewerte.
3. pH-Wert des Elektrolyten. Der Säuregehalt der Umgebung wird auch unter Berücksichtigung von Metallen ausgewählt. Beispielsweise beträgt der optimale Säuregehalt des Elektrolyten für Zink 140 g/m³.
4. Elektrolyttemperatur. Es hat eine zweideutige Wirkung. Mit steigender Temperatur nimmt die Elektrolysegeschwindigkeit zu, aber auch die Aktivität von Verunreinigungen nimmt zu. Für jeden Prozess gibt es eine optimale Temperatur. Normalerweise liegt es im Bereich von 38-45 Grad.

Wichtig! Die Elektrolyse kann durch verschiedene Einflüsse und die Wahl der Elektrolytzusammensetzung beschleunigt oder verlangsamt werden. Jede Anwendung hat ihr eigenes Schema, das strikt eingehalten werden muss.

Wo wird Elektrolyse eingesetzt?

Die Elektrolyse wird in vielen Bereichen eingesetzt. Es gibt mehrere Hauptanwendungsbereiche, um praktische Ergebnisse zu erzielen.

Galvanik

Durch Elektrolyse kann eine dünne, dauerhafte Metallbeschichtung aufgebracht werden. Das zu beschichtende Produkt wird in Form einer Kathode in das Bad eingebaut und der Elektrolyt enthält ein Salz des gewünschten Metalls. So kann man den Stahl mit Zink, Chrom oder Zinn überziehen.

Elektroraffination - Kupferraffination

Ein Beispiel für eine elektrische Reinigung kann die folgende Option sein: Kathode - reines Kupfer Anode - Kupfer mit Verunreinigungen, Elektrolyt - eine wässrige Lösung von Kupfersulfat. Kupfer von der Anode geht in Ionen über und setzt sich bereits ohne Verunreinigungen in der Kathode ab.

Metallabbau

Um Metalle aus Salzen zu gewinnen, werden sie in die Schmelze überführt und dann darin elektrolysiert. Ein solches Verfahren ist sehr effektiv zum Gewinnen von Aluminium aus Bauxiten, Natrium und Kalium.

Eloxieren

Bei diesem Verfahren wird die Beschichtung aus nichtmetallischen Verbindungen hergestellt. Ein klassisches Beispiel ist das Eloxieren von Aluminium. Das Aluminiumteil wird als Anode eingebaut. Der Elektrolyt ist eine Lösung aus Schwefelsäure. Als Ergebnis der Elektrolyse wird auf der Anode eine Aluminiumoxidschicht abgeschieden, die schützende und dekorative Eigenschaften hat. Diese Technologien sind in verschiedenen Branchen weit verbreitet. Sie können die Prozesse unter Einhaltung der Sicherheitsvorschriften mit Ihren eigenen Händen durchführen.

Energiekosten

Die Elektrolyse erfordert hohe Energiekosten. Das Verfahren ist von praktischem Wert, wenn der Anodenstrom ausreichend ist, und dazu ist es notwendig, einen signifikanten Gleichstrom von der Stromquelle anzulegen. Außerdem treten bei der Durchführung seitliche Spannungsverluste auf - Anoden- und Kathodenüberspannung, Verluste im Elektrolyten aufgrund seines Widerstands. Der Wirkungsgrad der Anlage wird bestimmt, indem die Energieaufnahmeleistung auf eine Einheit der nutzbaren Masse des erhaltenen Stoffes bezogen wird.

Die Elektrolyse wird in der Industrie schon lange und mit hoher Effizienz eingesetzt. Anodisierte und galvanisierte Beschichtungen sind im Alltag alltäglich geworden, und der Abbau und die Aufbereitung von Materialien hilft, viele Metalle aus Erzen zu extrahieren. Der Prozess kann geplant und berechnet werden, wenn seine Hauptmuster bekannt sind.

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