Электролитическая ячейка — это электрохимическая ячейка , которая использует внешний источник электрической энергии для запуска химической реакции , которая в противном случае не произошла бы. [1] : 64, 89 [2] : GL7 Внешний источник энергии представляет собой напряжение , приложенное между двумя электродами ячейки ; анод ( положительно заряженный электрод) и катод (отрицательно заряженный электрод), которые погружены в раствор электролита . [1] : 89 [3] [ необходима страница ] Это отличие от гальванического элемента , который сам по себе является источником электрической энергии и основой батареи . [1] : 64 Результирующая реакция, происходящая в гальваническом элементе, является спонтанной реакцией , т. е. свободная энергия Гиббса остается -ve, в то время как результирующая реакция, происходящая в электролитическом элементе, является обратной этой спонтанной реакции , т. е. Свободная энергия Гиббса равна +ve. [3] [ нужна страница ]
В электролитической ячейке ток проходит через ячейку под действием внешнего напряжения , вызывая протекание несамопроизвольной химической реакции. В гальваническом элементе в результате самопроизвольной химической реакции протекает электрический ток. Равновесный электрохимический элемент существует в состоянии между электролитом и гальваническим элементом . Тенденция спонтанной реакции пропускать ток через внешнюю цепь точно уравновешивается противоэлектродвижущей силой, так что ток не течет. Если эта противоэлектродвижущая сила увеличивается, ячейка становится электролитической ячейкой, а если она уменьшается, ячейка становится гальванической ячейкой. [4] : 354
Электролитическая ячейка состоит из трех компонентов: электролита и двух электродов ( катода и анода ). Электролит обычно представляет собой раствор воды или других растворителей , в которых растворены ионы . Расплавленные соли, такие как хлорид натрия, также могут действовать как электролиты. Под действием внешнего напряжения, приложенного к электродам, ионы электролита притягиваются к электроду с противоположным зарядом , где могут происходить реакции переноса заряда (также называемые фарадеевскими или окислительно- восстановительными реакциями). Только при внешнем электрическом потенциале (то есть напряжении) правильной полярности и достаточной величины электролитическая ячейка может разложить обычно стабильное или инертное химическое соединение в растворе. Подаваемая электрическая энергия может вызвать химическую реакцию, которая в противном случае не произошла бы самопроизвольно.
Майкл Фарадей определил катод ячейки как электрод, к которому катионы (положительно заряженные ионы, такие как ионы серебра Ag+
) поток внутри клетки, который должен быть уменьшен за счет реакции с электронами (отрицательно заряженными) от этого электрода. Точно так же он определил анод как электрод, к которому прикрепляются анионы (отрицательно заряженные ионы, такие как ионы хлорида Cl−
) течет внутри клетки и окисляется путем осаждения электронов на электроде. К внешнему проводу, соединенному с электродами гальванического элемента (или батареи), образующими электрическую цепь, катод относится положительно, а анод – отрицательно. Таким образом, в случае гальванического элемента положительный электрический ток течет от катода к аноду через внешнюю цепь.
Электролитические ячейки часто используются для разложения химических соединений в процессе, называемом электролизом , где «электро» означает электричество [5] , а греческое слово «лиз» означает «расщепление» . Важными примерами электролиза являются разложение воды на водород и кислород , а также боксита на алюминий и другие химические вещества. Гальваническое покрытие (например, медью, серебром, никелем или хромом) выполняется с использованием электролитической ячейки. Электролиз – это метод, в котором используется постоянный электрический ток (DC).
В промышленных масштабах электролизеры используются при электрорафинировании и электролизе некоторых цветных металлов. Большинство алюминия высокой чистоты , меди , цинка и свинца производятся промышленным способом в электролитических ячейках.
Как уже отмечалось, вода, особенно при добавлении ионов (соленой или кислой воды), может подвергаться электролизу (подвергаться электролизу). При движении от внешнего источника напряжения водород (H+
) ионы текут к катоду, чтобы объединиться с электронами с образованием газообразного водорода в реакции восстановления. Аналогично, гидроксид (OH−
) ионы текут к аноду, высвобождая электроны и водород ( H+
) ион для производства газообразного кислорода в реакции окисления.
В расплавленном хлориде натрия (NaCl) при пропускании тока через соль анод окисляет ионы хлорида (Cl−
) к газообразному хлору, он выделяет электроны на анод. Аналогично катод восстанавливает ионы натрия (Na+
), который принимает электроны от катода и откладывает их на катоде в виде металлического натрия.
Хлорид натрия, растворенный в воде, также можно подвергнуть электролизу. Анод окисляет ионы хлорида (Cl−
) и производит газообразный хлор (Cl 2 ). Однако на катоде вместо восстановления ионов натрия до металлического натрия молекулы воды восстанавливаются до гидроксид-ионов (OH−
) и газообразный водород (H 2 ). Общим результатом электролиза является образование газообразного хлора , газообразного водорода и водного раствора гидроксида натрия (NaOH).