Ηλεκτροχημεία Αγωγοί ηλεκτρικού ρεύματος Ηλεκτρόλυση - Μηχανισμός - Εφαρμογές

Σχεδιάγραμμα

Δική μας σύνοψη της ενότητας, για επανάληψη. Πηγή είναι πάντα το βιβλίο.

Τι έγινε

1. Όταν τα ηλεκτρόνια περνούν από το αναγωγικό στο οξειδωτικό μέσα από έναν αγωγό και όχι με άμεση επαφή, η αντίδραση λέγεται ηλεκτροχημική. Η ηλεκτροχημεία έχει δύο κλάδους: την ηλεκτρόλυση, όπου ηλεκτρική ενέργεια προκαλεί μη αυθόρμητη οξειδοαναγωγή, και τα γαλβανικά στοιχεία (μπαταρίες), όπου μια αυθόρμητη οξειδοαναγωγή δίνει ρεύμα.
2. Οι μεταλλικοί αγωγοί (μέταλλα, κράματα) άγουν με ελεύθερα ηλεκτρόνια. Οι ηλεκτρολυτικοί αγωγοί (τήγματα ιοντικών ενώσεων, διαλύματα οξέων, βάσεων, αλάτων) άγουν με κίνηση ιόντων, που ολοκληρώνεται με οξειδοαναγωγή στα ηλεκτρόδια.
3. Ηλεκτρόλυση είναι το σύνολο των οξειδώσεων και αναγωγών που γίνονται όταν εφαρμόζουμε κατάλληλη τάση σε τήγμα ή διάλυμα ηλεκτρολύτη. Στην κάθοδο (−) τα κατιόντα ανάγονται, στην άνοδο (+) τα ανιόντα οξειδώνονται. Στο τήγμα NaCl: Na⁺ + e⁻ → Na και 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻. Μέσα από τον ηλεκτρολύτη δεν περνούν ηλεκτρόνια.
4. Η συσκευή (δοχείο, ηλεκτρόδια, πηγή συνεχούς ρεύματος) λέγεται ηλεκτρολυτικό στοιχείο ή βολτάμετρο. Τα αδρανή ηλεκτρόδια (λευκόχρυσος, γραφίτης) μόνο μεταφέρουν το ρεύμα και δεν αντιδρούν.
5. Σε υδατικό διάλυμα ανταγωνίζονται και το νερό, τα H₃O⁺ και τα OH⁻. Η πρόβλεψη γίνεται με τη σειρά εκφόρτισης, που ισχύει για αδρανή ηλεκτρόδια και παρόμοιες συγκεντρώσεις: στην κάθοδο τα Au³⁺, Ag⁺, Cu²⁺ και το H⁺ των οξέων ανάγονται πριν από το νερό, ενώ με Al³⁺, Mg²⁺, Na⁺, Ca²⁺, K⁺ ανάγεται το νερό και εκλύεται H₂. Στην άνοδο τα S²⁻, I⁻ και τα OH⁻ των βάσεων οξειδώνονται εύκολα, ενώ με τα οξυγονούχα ιόντα (SO₄²⁻, NO₃⁻) και το F⁻ οξειδώνεται το νερό και εκλύεται O₂.
6. Η σειρά εκφόρτισης είναι αντίστροφη της σειράς δραστικότητας μετάλλων και αμετάλλων. Στο διάλυμα NaCl, όπως λέει και το βιβλίο, η άνοδος δίνει Cl₂ και όχι O₂.
7. Παραδείγματα με αδρανή ηλεκτρόδια: το αραιό H₂SO₄ και το KOH δίνουν H₂ στην κάθοδο και O₂ στην άνοδο, το NaCl δίνει H₂, Cl₂ και NaOH (βιομηχανική παραγωγή), το CuSO₄ δίνει Cu και O₂. Με ηλεκτρόδια Cu στο CuSO₄ η άνοδος διαλύεται και ο χαλκός αποτίθεται στην κάθοδο.
8. Εφαρμογές: παρασκευή μετάλλων (Na, Al), αμετάλλων (Cl₂) και ενώσεων (NaOH), καθαρισμός μετάλλων (ο ακάθαρτος Cu ως άνοδος, οι δραστικές προσμίξεις μένουν στο διάλυμα, οι ευγενείς πέφτουν στον πυθμένα) και επιμετάλλωση για προστασία ή διακόσμηση.

Όροι

ηλεκτροχημεία

οξειδοαναγωγή με e⁻ μέσα από αγωγό

ηλεκτρόλυση

οξειδοαναγωγή με κατανάλωση ρεύματος

ηλεκτρολυτικό στοιχείο (βολτάμετρο)

η διάταξη όπου γίνεται η ηλεκτρόλυση

γαλβανικό στοιχείο

χημική ενέργεια → ηλεκτρική (μπαταρία)

μεταλλικοί αγωγοί

άγουν το ρεύμα με ελεύθερα ηλεκτρόνια

ηλεκτρολυτικοί αγωγοί

τήγματα ή διαλύματα που άγουν με ιόντα

κάθοδος στην ηλεκτρόλυση

αρνητικό ηλεκτρόδιο, εκεί γίνεται αναγωγή

άνοδος στην ηλεκτρόλυση

θετικό ηλεκτρόδιο, εκεί γίνεται οξείδωση

αδρανές ηλεκτρόδιο

μόνο φέρει ρεύμα, π.χ. Pt ή γραφίτης

σειρά εκφόρτισης

η σειρά με την οποία εκφορτίζονται ιόντα

δυναμικό ηλεκτροδίου ιόντος

ελάχιστη τάση για να εκφορτιστεί το ιόν

αγωγιμότητα ηλεκτρολύτη σε θέρμανση

αυξάνεται (του μετάλλου μειώνεται)

κάθοδος σε διάλυμα NaCl

εκλύεται H₂ και όχι Na

άνοδος σε διάλυμα Na₂SO₄

εκλύεται O₂ από το νερό

ηλεκτρόλυση CuSO₄ με ηλεκτρόδια Cu

Cu φεύγει από άνοδο, πάει στην κάθοδο

καθαρισμός χαλκού

ακάθαρτος Cu άνοδος, καθαρός Cu κάθοδος

επιμετάλλωση

κάλυψη αντικειμένου με ευγενές μέταλλο

αντικείμενο που επιμεταλλώνεται

συνδέεται ως κάθοδος