Elektrolýza

Elektrolýza je velmi důležitý a v praxi využívaný redoxní děj. Aby mohla probíhat, potřebujeme dvě elektrody, zdroj stejnosměrného elektrického napětí a elektrolyt. Obě elektrody (katoda a anoda) jsou připojeny ke zdroji stejnosměrného elektrického napětí (každá k jinému pólu - na obrázku označené pomocí + a -) a musí být zavedeny do elektrolytu. Při takovém uspořádání vznikne uvnitř elektrolytu mezi elektrodami elektrické pole, které vyvolá usměrněný pohyb iontů v roztoku.

Obr. 1 Jednoduché schéma průběhu elektrolýzy

Základní pojmy:

Elektroda – vodič elektrického proudu 1. třídy, tj. kov, např. železný plíšek, který je vodivě spojen s nekovovou vodivou částí obvodu (nejčastěji roztokem elektrolytu).

Elektrolyt – vodič elektrického proudu 2. třídy, tj. látka, která při rozpouštění nebo tavení disociuje (štěpí se) na volně pohyblivé nabité částice (ionty). Elektrolyty jsou především kyseliny, zásady a soli, např. chlorid sodný NaCl.

Kovové vodiče tedy vedou elektrický proud prostřednictvím elektronů a průchodem proudu se chemicky nemění, zatímco roztoky a taveniny elektrolytů vedou proud prostřednictvím iontů a průchodem proudu se naopak rozkládají na ionty, které podléhají chemickým změnám.

Anoda – elektroda, která je připojená ke kladnému pólu zdroje elektrického proudu, proto je nabitá kladně.

Katoda – elektroda, která je připojená k zápornému pólu zdroje elektrického proudu, proto je nabitá záporně.

Elektrolýza je složena ze dvou chemických dějů – oxidace a redukce.

Oxidace je děj, při kterém se zvyšuje oxidační číslo částic obsažených v elektrolytu, to znamená, že částice odevzdává své přebytečné elektrony elektrodě. Elektrony mají záporný náboj, proto tento děj probíhá na anodě (kladná elektroda). Záporně nabité částice (anionty) tedy putují k anodě, kde se oxidují.

Redukce je děj opačný k oxidaci. Dochází tedy ke snižování oxidačního čísla částic v elektrolytu, to znamená, že částice přijímají elektrony. Redukce probíhá na katodě, která „má přebytek elektronů“ - je záporně nabita (od zdroje k ní putují elektrony – teče k ní elektrický proud). Kladně nabité částice (kationty) putují ke katodě, kde se redukují.

Příkladem elektrolýzy může být elektrolýza vodného roztoku chloridu sodného (NaCl), který disociuje dle rovnice:

NaCl ↔ Na⁺ + Cl‾

Působením stejnosměrného elektrického proudu vznikají primární produkty elektrolýzy podle následujících rovnic:

Cl‾ – 1 elektron → Cl⁰ (oxidace, anoda)

Na⁺ + 1 elektron → Na⁰ (redukce, katoda)

Na katodě pak vyloučené atomy sodíku reagují s molekulami vody za vzniku sekundárních produktů elektrolýzy

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂.

Elektrolýza je tedy děj, při němž průchodem stejnosměrného elektrického proudu roztokem nebo taveninou elektrolytu dochází k látkovým změnám. Podstatou těchto změn je výměna elektronů mezi nabitými ionty v elektrolytu a elektrodami. Z iontů se tak oxidačně-redukčními reakcemi stanou elektricky neutrální atomy nebo skupiny atomů, které se vylučují na elektrodách.

Využití:

• Elektrolytická výroba kovů – kovy vyrábíme elektrolýzou jejich roztavené rudy. Tímto způsobem lze získat i jiné prvky než kovové, například jod.
• Galvanické pokovování povrchů různých kovových předmětů – anoda musí být z kovu, kterým chceme pokrýt náš předmět (např. chceme klíč pokrýt mědí), elektrolytem je roztok kationu kovu, ze kterého je vyrobena anoda (síran měďnatý), a katodu tvoří předmět, který chceme pokrýt kovem (klíč). Po připojení ke zdroji elektrického proudu začne probíhat elektrolýza, anoda se začne rozpouštět, protože měď začne přecházet do roztoku v podobě měďnatých kationů, a na katodě se budou redukovat měďnaté kationy na měď, budou se tedy vylučovat na klíči.

Obr. 2 Galvanické pokovování – situace před a po elektrolýze

• Přečišťování kovů – anoda je ze znečištěného (surového) kovu, elektrolytem je roztok kationů tohoto kovu a na katodě se vylučuje čistý kov.

Faradayovy zákony:

Michael Faraday studoval vedení elektrického proudu v elektrolytech a své výsledky formuloval ve dvou zákonech popisujících průběh elektrolýzy po kvantitativní stránce:

1. Faradayův zákon: Hmotnost látek vyloučených na elektrodách je přímo úměrná celkovému elektrickému náboji, který přenesly iony při elektrolýze.Matematické vyjádření zákona: m=A∙Q nebo-li m=A∙I∙t, kde A je elektrochemický ekvivalent látky, Q je náboj, I je proud a t je doba, kterou proud prochází. Vysvětlení: čím déle a čím větší proud prochází elektrolytem při elektrolýze, tím více látky se vyloučí na elektrodách.
2. Faradayův zákon: Látková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní. Vysvětlení: Pokud provádíme elektrolýzu různých látek a použijeme vždy stejně velký proud, vyloučí se nám vždy stejná látková množství elektrolyzovaných látek.

Literatura:

1. Malmstajn.Elektrolyza.png. http://www.wikiskripta.eu/index.php/Soubor:Elektrolyza.png. Tento obrázek je publikován pod licencí Creative Commons Uveďte autora-Zachovejte licenci 3.0 Česko.
2. http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/fyz4.htm
3. http://home.tiscali.cz/chemie/elektrolyza.htm
4. http://www.e-chembook.eu/cz/obecna-chemie/elektrolyza
5. http://www.vscht.cz/fch/pokusy/50.html
6. http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/2-2.htm
7. http://www.e-chembook.eu/cz/obecna-chemie/poloclanky-a-clanky
8. Zdeněk Opava. Chemie kolem nás.
9. Jaroslav Honza, Aleš Mareček. Chemie pro gymnázia: 2 díl.
10. Marika Benešová, Hana Satrapová. Odmaturuj z chemie.