אלקטרוליזה

תהליך האלקטרוליזה

התופעה המתרחשת באלקטרוליזה היא שינוי הרכב המולקולות והיונים בתמיסה הנובע מהוספה או החסרה של אלקטרונים. שינוי כמות האלקטרונים מתבצע על ידי זרם חשמלי חיצוני. לעיתים רבות תוצרי האלקטרוליזה הם בעלי תכונות פיזיקליות שונות מאשר המגיבים וניתנים להפרדה מהתמיסה המימית. הסיבה לכך היא כי היונים מטבעם הם מסיסים במים בעוד שהתוצרים של האלקטרוליזה יכולים להיות גזים ומתכות, אשר אינם מסיסים במים.

דוגמה לתהליך אלקטרוליזה של מי מלח (תמיסה מימית של כלוריד הנתרן) ליצירת כלור ומימן, שני התוצרים הם גזים ובמהלך האלקטרוליזה יווצרו ויבעבעו החוצה מהנוזל בקרבת האלקטרודות.

עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \rm2NaCl+2H_2O~\to~2NaOH+H_2+Cl_2}

כאשר יוצרים מפל מתחים במערכת על ידי מקור מתח מתחילה תנועה של אלקטרונים בין שתי האלקטרודות. בגלל הפיזור הלא אחיד של האלקטרונים בין שתי האלקטרודות הן טעונות במטען הפוך. יונים טעונים חיובים (קטיונים) נמשכים לאלקטרודה רווית האלקטרונים (הקתודה). יונים טעונים שלילית (אניונים) נמשכים לאלקטרודה חסרת האלקטרונים (אנודה).

כאשר נוצר מגע בין האלקטרודה לאלקטרוליט יכולה להיווצר תגובה כימית. צורונים לא טעונים יכולים לספוח או להינתק מאלקטרון, להפוך ליון ולהצטרף לתמיסת האלקטרוליט כיון. לחלופין אניון יכול למסור אלקטרון וקטיון יכול לספח אליו אלקטרון ובאופן זה הם יהיו בעלי מטען נייטרלי.

חמצון וחיזור על גבי האלקטרודה

חמצון של יונים או מולקולות נייטרליות מתבצע על גבי האנודה. כמו למשל תהליך חמצון של יוני קט ברזל אל יוני רב-ברזל על גבי האנודה:

${\displaystyle {\ce {Fe^{2+}(aq) -> Fe^{3+}(aq) + e^-}}}$

באותו אופן תהליך החיזור מתרחש בקתודה. כמו למשל יוני נחושת, אשר סופחים אליהם שני אלקטרונים והופכים לנחושת מוצקה.

${\displaystyle {\ce {Cu^{2+}(aq) + 2e^- -> Cu(s)}}}$

חוק האלקטרוליזה הראשון

כמות החומרים שהופרדו כתוצאה מהעברת המתח החשמלי בתמיסה פרופורציונלי לכמות המטען החשמלי שעבר דרך המעגל החשמלי.

${\displaystyle m=k\cdot q}$

או

עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle m=e\cdot Q}

כאשר e הוא האקוויוולנט האלקטרוכימי של המתכת שעוברת שיקוע בתגובה או לחלופין הגז שמשוחרר באחת האלקטרודות.

חוק האלקטרוליזה השני

כאשר זרם זהה עובר דרך סדרה של אלקטרוליטים מחוברים בתור, המסה של החומר העובר שיקוע או משתחרר כגז באלקטרודות הוא פרופורציונלי למסה האקוויוולנטית שלהם.

אלגון

שימוש אחד לאלקטרוליזה הוא אלגון (ציפוי), תהליך בו חומר מצפה עובר חיזור על גבי קתודה המכילה חומר שעובר תהליך ציפוי.

מיצוי אלומיניום

תהליך בו הופכת עפרת האלומיניום לאלומיניום (הומצא על ידי צ'ארלס מרטין הול בשנת 1886).

תהליך כלור אלקלי

ייצור כלור ונתרן הידרוקסידי בתהליך כלור-אלקלי

אלקטרוסינתזה

אלקטרוסינתזה היא שיטה לייצור חומרים דרך תגובות אלקטרוליזה.

כך למשל דו-תחמוצת המנגן ${\displaystyle {\ce {{MnO2}}}}$ (אשר משתמשים בה ב סולל אלקליין). התגובה מתבצעת על ידי כאשר דו-תחמוצת המנגן נוצר בתהליך חמצון של יון מנגן על גבי האנודה.

תגובת החמצון על האנודה היא:

עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ce{Mn^+2(aq) + 2H2O(l) -> Mn2O(s) + 4H^+(aq)}}

תגובת החיזור המתבצעת על הקתודה היא חיזור של יוני מימן למימן מולקולרי:

עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ce{Mn^{+2}(aq) + 2H2O(l) -> MnO2(s) + 2H+(aq) + H2(g)}}

ציפוי אלקטרוכימי

ציפוי אלקטרוכימי הוא שיטת ציפוי בה מצפים מתכת (ולעיתים פולימר) בשכבה עוטפת של מתכת אחרת.

בתהליכים אלה המתכת העוברת ציפוי משמשת כאנודה בתא אלקטרוכימי ויוני המתכת בתמיסה עוברים חמצון על גביה. תהליכי ציפוי כאלה לרוב מיושמים מטעמים אסתטיים כמו צפוי של כלי ברזל בכסף או ציפוי פלדה בשכבת מגן העשויה מכרום כדי למנוע קורוזיה שכן הוא פחות ריאקטיבי עם מים