Elektrolýza - fyzikální základy

Obsah >>>        

Jestliže do elektrolytu vložíme dvě kovové elektrody a připojíme je ke svorkám vnějšího stejnosměrného zdroje napětí, vznikne uvnitř elektrolytu mezi elektrodami elektrické pole, které vyvolá usměrněný pohyb iontů v roztoku. Kladné ionty (kationty) se začnou pohybovat ke katodě (elektrodě připojené k záporné svorce zdroje), záporné ionty (anionty) se pohybují k anodě (elektrodě připojené ke kladné svorce zdroje). Při průchodu elektrického proudu elektrolytem dochází - na rozdíl od kovového vodiče - k přenosu látky.


Chemické změny, které probíhají na elektrodách průchodem proudu, je možno v praxi využít různým způsobem. Při elektrolýze se na katodě vylučuje vodík nebo kov. Z toho vyplývá základní sestava pro pokovování:
  • katoda - vodivý předmět, který má být pokovován
  • anoda - elektroda z kovu, kterým se pokovuje
  • elektrolyt - roztok soli kovu, kterým se pokovuje
Na levém obrázku je příklad vedení proudu v roztoku kuchyňské soli NaCl. Záporné ionty chloru (na obr. žluté) směřují k anodě, kladné ionty sodíku (na obr. fialové) ke katodě.
Galvanizace

Příklad pokovování (galvanizace):
Železný předmět chceme pokrýt tenkou vrstvičkou mědi. Jako anodu použijeme kus mědi, pokovovaný předmět bude katodou a elektrolytem bude roztok např. síranu měďnatého CuSO4. Situace je schématicky znázorněna na pravém obrázku. Po připojení ke zdroji napětí se kladné ionty mědi budou usazovat na povrchu záporné katody, záporné ionty SO4 budou směřovat k anodě, reagovat na ní s atomy mědi a jako molekuly CuSO4 se budou vracet zpět do elektrolytu. Katoda se bude pokrývat mědí, anody bude ubývat a koncentrace CuSO4 v elektrolytu zůstane stejná. Měď bude prostřednictvím elektrolytu přecházet z anody na katodu.

Uspořádaný pohyb iontů v elektrolytu končí na elektrodách, kde ionty odevzdávají náboje. Podle druhu iontů a materiálu elektrod může po odevzdání náboje nastat některá z těchto možností:
  • ionty se usazují na povrchu elektrod jako atomy nebo molekuly, vytvářejí na nich povlak
  • ionty se vylučují jako atomy nebo molekuly plynu a unikají ve formě bublin z elektrolytu ven
  • ionty chemicky reagují s materiálem elektrody
  • ionty reagují s elektrolytem a vrací se do něj zpět

Děj, při kterém průchodem elektrického proudu elektrolytem dochází k látkovým změnám, nazýváme ELEKTROLÝZA.
Podle dohody je směr proudu určen směrem pohybu kladných iontů.

Trvalý proud v elektrolytu vzniká, jestliže připojené napětí překročí hodnotu tzv. rozkladného napětí Ur. Při dalším zvětšování napětí pak proud I roste lineárně:
U = Ur + R.I
kde R se nazývá odpor elektrolytu. Jde o určitou obdobu Ohmova zákona, jak ho známe v případě vedení proudu v kovových vodičích.

Vznik rozkladného napětí Ur souvisí s ději probíhajícími na elektrodách (viz výše). S rostoucí teplotou se ionty v elektrickém poli pohybují rychleji, odpor elektrolytu klesá a proto elektrický proud roste.


Výsledky elektrolýzy daného roztoku závisí na materiálu, z něhož jsou elektrody. Při elektrolýze se na katodě vždy vylučuje vodík nebo kov. Vedení elektrického proudu v elektrolytech studoval anglický fyzik Michael Faraday. Výsledky svých experimentálních výzkumů shrnul do dvou zákonů:

1. Faradayův zákon
Hmotnost látek vyloučených na elektrodách je přímo úměrná celkovému elektrickému náboji, který přenesly ionty při elektrolýze.
Jinými slovy: Hmotnost látek vyloučených na elektrodách je tím větší, čím větší je procházející proud a čím delší dobu proud prochází.

m = A.Q        m = A.I.t
kde A je konstanta úměrnosti a nazývá se elektrochemický ekvivalent látky


2. Faradayův zákon
Látková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní.

Elektrochemický ekvivalent je konstanta charakterizující látky, které se vylučují na elektrodách při elektrolýze. Udává, kolik látky v kg se vyloučí na elektrodách elektrickým nábojem o velikosti 1 coulomb (tento náboj přenese například proud o velikosti 1 A za 1 sekundu). Velikost elektrochemického ekvivalentu pro různé látky najdeme v tabulkách. Například elektrochemický ekvivalent mědi je 0,33.10-6 kg/C.