Elektrischer Strom in Elektrolyten

Elektrischer Strom in Elektrolyten hängt immer mit der Übertragung von Stoffen zusammen. In Metallen und Halbleitern beispielsweise wird Materie nicht übertragen, wenn Strom durch sie fließt, da in diesen Medien Elektronen und Löcher Stromträger sind, in Elektrolyten hingegen werden sie übertragen. Denn in Elektrolyten fungieren die positiv und negativ geladenen Ionen der Substanz als Träger freier Ladungen und nicht als Elektronen oder Löcher.

Zu den Elektrolyten gehören geschmolzene Verbindungen vieler Metalle sowie einige Feststoffe. Die Hauptvertreter dieses in der Technik weit verbreiteten Leitertyps sind jedoch wässrige Lösungen anorganischer Säuren, Basen und Salze.

Wenn ein elektrischer Strom durch das Elektrolytmedium fließt, wird die Substanz an den Elektroden freigesetzt. Dieses Phänomen nennt man Elektrolyse… Wenn ein elektrischer Strom durch den Elektrolyten fließt, bewegen sich die positiv und negativ geladenen Ionen des Stoffes gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen.

Negativ geladene Ionen (Anionen) strömen zur positiven Elektrode der Stromquelle (Anode) und positiv geladene Ionen (Kationen) zu ihrem negativen Pol (Kathode).

Ionenquellen in wässrigen Lösungen von Säuren, Basen und Salzen sind neutrale Moleküle, von denen einige unter Einwirkung einer angelegten elektrischen Kraft gespalten werden. Dieses Phänomen der Spaltung neutraler Moleküle wird als elektrolytische Dissoziation bezeichnet. Beispielsweise zerfällt Kupferchlorid CuCl2 bei der Dissoziation in wässriger Lösung in Chloridionen (negativ geladen) und Kupfer (positiv geladen).

Wenn die Elektroden an eine Stromquelle angeschlossen werden, beginnt das elektrische Feld auf Ionen in einer Lösung oder Schmelze einzuwirken, während sich Chloranionen zur Anode (positive Elektrode) und Kupferkationen zur Kathode (negative Elektrode) bewegen.

Beim Erreichen der negativen Elektrode werden die positiv geladenen Kupferionen durch die überschüssigen Elektronen an der Kathode neutralisiert und werden zu neutralen Atomen, die sich auf der Kathode ablagern. Beim Erreichen der positiven Elektrode geben die negativ geladenen Chlorionen bei der Wechselwirkung mit der positiven Ladung an der Anode jeweils ein Elektron ab. Dabei verbinden sich die gebildeten neutralen Chloratome paarweise zu Cl2-Molekülen und an der Anode wird Chlor in Form von Gasblasen freigesetzt.

Der Elektrolyseprozess geht häufig mit der Wechselwirkung von Dissoziationsprodukten einher (sog. Sekundärreaktionen), wenn die an den Elektroden freigesetzten Zersetzungsprodukte mit dem Lösungsmittel oder direkt mit dem Elektrodenmaterial interagieren. Nehmen wir zum Beispiel die Elektrolyse einer wässrigen Kupfersulfatlösung (Kupfersulfat – CuSO4).In diesem Beispiel bestehen die Elektroden aus Kupfer.

Das Kupfersulfatmolekül dissoziiert und bildet ein positiv geladenes Kupferion Cu + und ein negativ geladenes Sulfation SO4-. Auf der Kathode werden neutrale Kupferatome als feste Abscheidung abgeschieden. Auf diese Weise wird chemisch reines Kupfer gewonnen.

Das Sulfation gibt zwei Elektronen an die positive Elektrode ab und wird zum neutralen Radikal SO4, das sofort mit der Kupferanode reagiert (sekundäre Anodenreaktion). Das Reaktionsprodukt an der Anode ist Kupfersulfat, das in Lösung geht.

Es stellt sich heraus, dass, wenn ein elektrischer Strom durch eine wässrige Kupfersulfatlösung fließt, sich die Kupferanode einfach allmählich auflöst und Kupfer auf der Kathode ausfällt. In diesem Fall ändert sich die Konzentration der wässrigen Kupfersulfatlösung nicht.

Im Jahr 1833 stellte der englische Physiker Michael Faraday im Zuge experimenteller Arbeiten das Gesetz der Elektrolyse auf, das heute nach ihm benannt ist.

Mit dem Faradayschen Gesetz können Sie die Menge der Primärprodukte bestimmen, die bei der Elektrolyse an den Elektroden freigesetzt werden. Das Gesetz besagt: „Die Masse m des bei der Elektrolyse an der Elektrode freigesetzten Stoffes ist direkt proportional zur Ladung Q, die durch den Elektrolyten geflossen ist.“

Der Proportionalitätsfaktor k wird in dieser Formel als elektrochemisches Äquivalent bezeichnet.

Die Masse des Stoffes, der bei der Elektrolyse an der Elektrode freigesetzt wird, ist gleich der Gesamtmasse aller Ionen, die an dieser Elektrode angekommen sind:

Die Formel enthält die Ladung q0 und die Masse m0 eines Ions sowie die Ladung Q, die den Elektrolyten passiert hat. N ist die Anzahl der Ionen, die an der Elektrode angekommen sind, als die Ladung Q den Elektrolyten passiert hat.Daher wird das Verhältnis der Masse des Ions m0 zu seiner Ladung q0 als elektrochemisches Äquivalent von k bezeichnet.

Da die Ladung eines Ions numerisch gleich dem Produkt aus der Wertigkeit des Stoffes und der Elementarladung ist, lässt sich das chemische Äquivalent in folgender Form darstellen:

Wobei: Na die Avogadro-Konstante ist, M die Molmasse der Substanz ist, F die Faraday-Konstante ist.

Tatsächlich kann die Faraday-Konstante als die Ladungsmenge definiert werden, die durch den Elektrolyten fließen muss, um ein Mol einwertiger Substanz an der Elektrode freizusetzen. Das Faradaysche Gesetz der Elektrolyse hat dann die Form:

Das Phänomen der Elektrolyse wird in der modernen Produktion häufig genutzt. Beispielsweise werden Aluminium, Kupfer, Wasserstoff, Mangandioxid und Wasserstoffperoxid industriell durch Elektrolyse hergestellt. Viele Metalle werden aus Erzen gewonnen und durch Elektrolyse (Elektroraffinierung und Elektroextraktion) verarbeitet.

Dank der Elektrolyse chemische Stromquellen… Elektrolyse wird in der Abwasseraufbereitung eingesetzt (Elektroextraktion, Elektrokoagulation, Elektroflotation). Viele Stoffe (Metalle, Wasserstoff, Chlor etc.) werden durch Elektrolyse gewonnen zum Galvanisieren und Galvanisieren.

Siehe auch:Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser – Technologie und Ausrüstung