Электролитическая ячейка — это электрохимическая ячейка , которая использует внешний источник электрической энергии для форсирования химической реакции , которая в противном случае не произошла бы. [1] : 64, 89 [2] : GL7 Внешний источник энергии — это напряжение, приложенное между двумя электродами ячейки : анодом (положительно заряженным электродом) и катодом (отрицательно заряженным электродом), которые погружены в раствор электролита . [1] : 89 [3] [ нужна страница ] Это отличается от гальванической ячейки , которая сама по себе является источником электрической энергии и основой батареи . [ 1] : 64 Чистая реакция, происходящая в гальванической ячейке, является спонтанной реакцией , т. е. свободная энергия Гиббса остается отрицательной, в то время как чистая реакция, происходящая в электролитической ячейке, является обратной этой спонтанной реакции , т. е. свободная энергия Гиббса равна положительной. [3] [ нужна страница ]
В электролитической ячейке ток проходит через ячейку под действием внешнего напряжения , вызывая протекание несамопроизвольной химической реакции. В гальванической ячейке протекание самопроизвольной химической реакции вызывает протекание электрического тока. Равновесная электрохимическая ячейка существует в состоянии между электролитической ячейкой и гальванической ячейкой. Тенденция самопроизвольной реакции проталкивать 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 ). Электролитом обычно является раствор воды или других растворителей , в которых растворены ионы . Расплавленные соли, такие как хлорид натрия, также могут функционировать как электролиты. При подаче внешнего напряжения на электроды ионы в электролите притягиваются к электроду с противоположным зарядом , где могут происходить реакции переноса заряда (также называемые фарадеевскими или окислительно-восстановительными ). Только при наличии внешнего электрического потенциала (т. е. напряжения) правильной полярности и достаточной величины электролитическая ячейка может разложить обычно стабильное или инертное химическое соединение в растворе. Предоставляемая электрическая энергия может вызвать химическую реакцию, которая в противном случае не произошла бы спонтанно.
Майкл Фарадей определил катод ячейки как электрод, к которому притягиваются катионы (положительно заряженные ионы, такие как ионы серебра Ag+
) течь внутри клетки, чтобы быть восстановленным путем реакции с электронами (отрицательно заряженными) от этого электрода. Аналогично, он определил анод как электрод, к которому анионы (отрицательно заряженные ионы, такие как ионы хлора Cl−
) текут внутри ячейки, чтобы окислиться путем осаждения электронов на электроде. Для внешнего провода, подключенного к электродам гальванического элемента (или батареи), образуя электрическую цепь, катод является положительным, а анод - отрицательным. Таким образом, положительный электрический ток течет от катода к аноду через внешнюю цепь в случае гальванического элемента.
Электролитические ячейки часто используются для разложения химических соединений в процессе, называемом электролизом — где «электро» означает электричество [5] , а греческое слово « лизис» означает разлагать . Важными примерами электролиза являются разложение воды на водород и кислород , а также бокситов на алюминий и другие химикаты. Гальванопокрытие (например, меди, серебра, никеля или хрома) выполняется с использованием электролитической ячейки. Электролиз — это метод, который использует постоянный электрический ток (DC).
В коммерческих целях электролитические ячейки используются при электрорафинировании и электролизе нескольких цветных металлов. Большая часть алюминия высокой чистоты , меди , цинка и свинца производится в промышленных масштабах в электролитических ячейках.
Как уже отмечалось, вода, особенно при добавлении ионов (соленая или кислая вода), может быть электролизована (подвергнута электролизу). При подаче внешнего источника напряжения водород (H+
) ионы текут к катоду, чтобы соединиться с электронами и произвести водород в реакции восстановления. Аналогично, гидроксид (OH−
) ионы текут к аноду, освобождая электроны и водород (H+
) ион для получения газообразного кислорода в реакции окисления.
В расплавленном хлориде натрия (NaCl) при пропускании тока через соль анод окисляет ионы хлора (Cl−
) в газообразный хлор, он высвобождает электроны на аноде. Аналогично катод восстанавливает ионы натрия (Na+
), который принимает электроны от катода и осаждает их на катоде в виде металлического натрия.
Растворенный в воде хлорид натрия также может быть подвергнут электролизу. Анод окисляет ионы хлора (Cl−
), и производит хлор (Cl 2 ). Однако на катоде вместо того, чтобы ионы натрия восстанавливались до металлического натрия, молекулы воды восстанавливаются до гидроксид-ионов (OH−
) и газообразный водород (H 2 ). Общим результатом электролиза является производство газообразного хлора , газообразного водорода и водного раствора гидроксида натрия (NaOH).