In der Chemie und Herstellung ist Elektrolyse eine Methode, einen direkten elektrischen Strom (Gleichstrom) zu verwenden, um eine sonst nichtspontane chemische Reaktion zu steuern. Elektrolyse ist als eine Bühne in der Trennung von Elementen von natürlich vorkommenden Quellen wie Erze mit einer elektrolytischen Zelle gewerblich hoch wichtig.

Geschichte

Die Wortelektrolyse kommt aus dem griechischen "Bernstein" und "der Auflösung".

• 1800 - William Nicholson und Johann Ritter haben Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt.
• 1807 - Kalium, Natrium, Barium, Kalzium und Magnesium wurden von Herrn Humphry Davy entdeckt, der Elektrolyse verwendet.
• 1875 - Paul Emile Lecoq de Boisbaudran hat Gallium mit der Elektrolyse entdeckt.
• 1886 - Fluor wurde von Henri Moissan entdeckt, der Elektrolyse verwendet.
• 1886 - Prozess des Saals-Héroult hat sich entwickelt, um Aluminium zu machen
• 1890 - Castner-Kellner Prozess hat sich entwickelt, um Natriumshydroxyd zu machen

Übersicht

Elektrolyse ist der Durchgang eines direkten elektrischen Stroms durch eine ionische Substanz, die entweder geschmolzen oder in einem passenden Lösungsmittel aufgelöst ist, auf chemische Reaktionen an den Elektroden und der Trennung von Materialien hinauslaufend.

Die Hauptbestandteile, die erforderlich sind, Elektrolyse zu erreichen, sind:

• Ein Elektrolyt: Eine Substanz, die freie Ionen enthält, die die Transportunternehmen des elektrischen Stroms im Elektrolyt sind. Wenn die Ionen nicht beweglich sind, als in einem festen Salz dann kann Elektrolyse nicht vorkommen.
• Eine Versorgung des direkten Stroms (DC): Stellt die Energie zur Verfügung, die notwendig ist, um die Ionen im Elektrolyt zu schaffen oder zu entladen. Elektrischer Strom wird durch Elektronen im Außenstromkreis getragen.
• Zwei Elektroden: Ein elektrischer Leiter, der die physische Schnittstelle zwischen dem elektrischen Stromkreis zur Verfügung stellt, der die Energie und dem Elektrolyt zur Verfügung stellt

Elektroden von Metall, Grafit und Halbleiter-Material werden weit verwendet. Die Wahl der passenden Elektrode hängt von chemischer Reaktionsfähigkeit zwischen der Elektrode und dem Elektrolyt und den Fertigungskosten ab.

Prozess der Elektrolyse

Der Schlüsselprozess der Elektrolyse ist der Austausch von Atomen und Ionen durch die Eliminierung oder Hinzufügung von Elektronen vom Außenstromkreis. Die erforderlichen Produkte der Elektrolyse sind in einem verschiedenen physischen Staat vom Elektrolyt und können durch einige physische Prozesse entfernt werden. Zum Beispiel, in der Elektrolyse des Salzwassers, um Wasserstoff und Chlor zu erzeugen, sind die Produkte gasartig. Diese gasartigen Produkte Luftblase vom Elektrolyt und werden gesammelt.

:2 NaCl + 2 HO  2 NaOH + H + Kl.

Ein flüssiger, der bewegliche Ionen (Elektrolyt) enthält, wird durch erzeugt

• Solvation oder Reaktion einer ionischen Zusammensetzung mit einem Lösungsmittel (wie Wasser), um bewegliche Ionen zu erzeugen
• Eine ionische Zusammensetzung wird (verschmolzen) durch die Heizung geschmolzen

Ein elektrisches Potenzial wird über ein Paar von in den Elektrolyt versenkten Elektroden angewandt.

Jede Elektrode zieht Ionen an, die von der entgegengesetzten Anklage sind. Positiv beladene Ionen (cations) gehen an die elektron (negative) Kathode heran, wohingegen negativ beladene Ionen (Anionen) an die positive Anode herangehen.

An den Elektroden werden Elektronen absorbiert oder durch die Atome und Ionen veröffentlicht. Jene Atome, die gewinnen oder Elektronen verlieren, um beladener Ion-Pass in den Elektrolyt zu werden. Jene Ionen, die gewinnen oder Elektronen verlieren, um unbeladene vom Elektrolyt getrennte Atome zu werden. Die Bildung von unbeladenen Atomen von Ionen wird genannt sich entladend.

Die Energie, die erforderlich ist, die Ionen zu veranlassen, zu den Elektroden und der Energie abzuwandern, die Änderung im ionischen Staat zu verursachen, wird von der Außenquelle des elektrischen Potenzials zur Verfügung gestellt.

Oxydation und die Verminderung an den Elektroden

Die Oxydation von Ionen oder neutralen Molekülen kommt an der Anode vor, und die Verminderung von Ionen oder neutralen Molekülen kommt an der Kathode vor. Zum Beispiel ist es möglich, Eisenionen zu Eisenionen an der Anode zu oxidieren:

:Fe  Fe + e

Es ist auch möglich, ferricyanide Ionen auf Eisenzyanid-Ionen an der Kathode zu reduzieren:

:Fe (CN) + e  Fe (CN)

Neutrale Moleküle können auch an jeder Elektrode reagieren. Zum Beispiel: P-Benzoquinone kann auf das Hydrochinon an der Kathode reduziert werden:

+ 2 e + 2 H 

Im letzten Beispiel, H Ionen (Wasserstoffionen) nehmen auch an der Reaktion teil, und werden durch eine Säure in der Lösung oder das Lösungsmittel selbst (Wasser, Methanol usw.) zur Verfügung gestellt. Elektrolyse-Reaktionen, die H Ionen verbunden sind, sind in acidic Lösungen ziemlich üblich. In alkalischen Wasserlösungen sind Reaktionen, die OH (Hydroxyd-Ionen) verbunden sind, üblich.

Die Substanzen oxidiert oder reduziert können auch das Lösungsmittel (gewöhnlich Wasser) oder die Elektroden sein. Es ist möglich, Elektrolyse zu haben, die Benzin einschließt.

Energie ändert sich während der Elektrolyse

Der Betrag der elektrischen Energie, die hinzugefügt werden muss, kommt der Änderung in Gibbs freie Energie der Reaktion plus die Verluste im System gleich. Die Verluste können (in der Theorie), willkürlich Null nah sein, so kommt die maximale thermodynamische Leistungsfähigkeit der durch die freie Energieänderung der Reaktion geteilten Enthalpy-Änderung gleich. In den meisten Fällen ist der elektrische Eingang größer als die enthalpy Änderung der Reaktion, so wird eine Energie in der Form der Hitze veröffentlicht. In einigen Fällen, zum Beispiel, in der Elektrolyse des Dampfs in Wasserstoff und Sauerstoff bei der hohen Temperatur, ist das Gegenteil wahr. Hitze wird von den Umgebungen absorbiert, und der Heizungswert von erzeugtem Wasserstoff ist höher als der elektrische Eingang.

Zusammenhängende Techniken

Die folgenden Techniken sind mit der Elektrolyse verbunden:

• Elektrochemische Zellen, einschließlich der Wasserstoffkraftstoffzelle, verwerten Unterschiede im Standardelektrode-Potenzial, um ein elektrisches Potenzial zu erzeugen, aus dem nützliche Macht herausgezogen werden kann. Obwohl verbunden, über die Wechselwirkung von Ionen und Elektroden sind Elektrolyse und die Operation von elektrochemischen Zellen ziemlich verschieden. Von einer chemischen Zelle sollte als leistende "Elektrolyse rückwärts" nicht gedacht werden.

Die Gesetze von Faraday der Elektrolyse

Das erste Gesetz der Elektrolyse

1832 hat Michael Faraday berichtet, dass die Menge von getrennten Elementen durch den Übergang eines elektrischen Stroms durch ein geschmolzenes oder aufgelöstes Salz zur Menge der elektrischen Anklage proportional ist, hat den Stromkreis durchgeführt. Das ist die Basis des ersten Gesetzes der Elektrolyse geworden:

:

Das zweite Gesetz der Elektrolyse

Faraday hat auch entdeckt, dass die Masse der resultierenden getrennten Elemente zu den Atommassen der Elemente direkt proportional ist, wenn ein passender integrierter Teiler angewandt wird. Das hat starke Beweise zur Verfügung gestellt, dass getrennte Partikeln der Sache als Teile der Atome von Elementen bestehen.

Industriegebrauch

• Produktion von Aluminium, Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Kalzium
• Techniken von Coulometric können verwendet werden, um den Betrag der während der Elektrolyse umgestalteten Sache durch das Messen des Betrags der Elektrizität zu bestimmen, die erforderlich ist, die Elektrolyse durchzuführen
• Produktion des Chlors und Natriumshydroxyds
• Produktion des chlorsauren Natriumssalzes und chlorsauren Kalium-Salzes
• Produktion von perfluorinated organischen Zusammensetzungen wie Trifluoroacetic-Säure
• Produktion von elektrolytischem Kupfer als eine Kathode, von raffiniertem Kupfer der niedrigeren Reinheit als eine Anode.

Elektrolyse hat vielen anderen Nutzen:

• Electrometallurgy ist der Prozess der Verminderung von Metallen von metallischen Zusammensetzungen, um die reine Form der Metallverwenden-Elektrolyse zu erhalten. Zum Beispiel wird das Natriumshydroxyd in seiner geschmolzenen Form durch die Elektrolyse in Natrium und Sauerstoff getrennt, von denen beide wichtigen chemischen Nutzen haben. (Wasser wird zur gleichen Zeit erzeugt.)
• Anodization ist ein elektrolytischer Prozess, der die Oberfläche von gegen die Korrosion widerstandsfähigen Metallen macht. Zum Beispiel werden Schiffe davon gespart, durch Sauerstoff im Wasser durch diesen Prozess zerfressen zu werden. Der Prozess wird auch verwendet, um Oberflächen zu schmücken.
• Eine Batterie arbeitet durch den Rückprozess zur Elektrolyse.
• Produktion von Sauerstoff für das Raumfahrzeug und die Kernunterseeboote.
• Galvanik wird in layering Metallen verwendet, um sie zu kräftigen. Galvanik wird in vielen Industrien zu funktionellen oder dekorativen Zwecken, als in Fahrzeugkörpern und Nickel-Münzen verwendet.
• Produktion von Wasserstoff für den Brennstoff, mit einer preiswerten Quelle der elektrischen Energie.
• Das elektrolytische Ätzen von Metalloberflächen wie Werkzeuge oder Messer mit einem dauerhaften Zeichen oder Firmenzeichen.

Elektrolyse wird auch in der Reinigung und Bewahrung von alten Kunsterzeugnissen verwendet. Weil der Prozess die nichtmetallischen Partikeln von den metallischen trennt, ist es sehr nützlich, um alte Münzen und noch größere Gegenstände zu reinigen.

Konkurrierende Halbreaktionen in der Lösungselektrolyse

Mit einer Zelle, die träge Platin-Elektroden enthält, führt die Elektrolyse von wässrigen Lösungen einiger Salze zur Verminderung des cations (z.B, Metallabsetzung mit, z.B, Zinksalze) und Oxydation der Anionen (z.B Evolution von Brom mit Bromiden). Jedoch mit Salzen von einigen Metallen (z.B Natrium) wird Wasserstoff an der Kathode, und für Salze entwickelt, die einige Anionen enthalten (z.B Sulfat SO) Sauerstoff wird an der Anode entwickelt. In beiden Fällen ist das wegen Wassers, das wird reduziert, um Wasserstoff oder oxidiert zu bilden, um Sauerstoff zu bilden.

Im Prinzip kann die Stromspannung, die zu electrolyse eine Salz-Lösung erforderlich ist, aus dem Standardelektrode-Potenzial für die Reaktionen an der Anode und Kathode abgeleitet werden. Das Standardelektrode-Potenzial ist direkt mit der freien Energie von Gibb, ΔG für die Reaktionen an jeder Elektrode verbunden und bezieht sich auf eine Elektrode ohne aktuelles Fließen. Ein Extrakt vom Tisch von Standardelektrode-Potenzialen wird unten gezeigt.

In Bezug auf die Elektrolyse sollte dieser Tisch wie folgt interpretiert werden

• oxidierte Arten (häufig ein cation) näher die Spitze des Tisches sind schwieriger abzunehmen als oxidierte Arten weiter unten. Zum Beispiel ist es schwieriger, Natriumsion auf Natriumsmetall zu reduzieren, als es Zinkion auf Zinkmetall reduzieren soll.
• reduzierte Arten (häufig ein Anion) in der Nähe vom Boden des Tisches sind schwieriger zu oxidieren als reduzierte Arten höher. Zum Beispiel ist es schwieriger, Sulfat-Anionen zu oxidieren, als es Bromid-Anionen oxidieren soll.

Mit der Gleichung von Nernst kann das Elektrode-Potenzial für eine spezifische Konzentration von Ionen, Temperatur und der Zahl von beteiligten Elektronen berechnet werden. Für reines Wasser (pH 7):

• das Elektrode-Potenzial für den Verminderungsproduzieren-Wasserstoff ist 0.41 V
• das Elektrode-Potenzial für den Oxydationsproduzieren-Sauerstoff ist +0.82 V.

Vergleichbare Zahlen haben auf eine ähnliche Weise, für 1M gerechnet Zinkbromid, ZnBr, ist 0.76 V für die Verminderung zu Metall von Zn und +1.10 V für das Oxydationsproduzieren-Brom.

Der Beschluss von diesen Zahlen besteht darin, dass Wasserstoff an der Kathode und dem Sauerstoff an der Anode von der Elektrolyse von Wasser erzeugt werden sollte, das an der Abweichung mit der experimentellen Beobachtung ist, dass Zinkmetall abgelegt wird und Brom erzeugt wird.

Die Erklärung besteht darin, dass diese berechneten Potenziale nur die thermodynamisch bevorzugte Reaktion anzeigen. In der Praxis müssen viele andere Faktoren wie die Kinetik von einigen der beteiligten Reaktionsschritte in Betracht gezogen werden. Diese Faktoren bedeuten zusammen, dass ein höheres Potenzial für die Verminderung und Oxydation von Wasser erforderlich ist als vorausgesagt, und das genannte Überpotenziale sind. Experimentell ist es bekannt, dass Überpotenziale vom Design der Zelle und der Natur der Elektroden abhängen.

Für die Elektrolyse eines neutralen (pH 7) Natriumchlorid-Lösung ist die Verminderung des Natriumsions thermodynamisch sehr schwierig, und Wasser wird reduziert, Wasserstoff entwickelnd, Hydroxyd-Ionen in der Lösung verlassend. An der Anode wird die Oxydation des Chlors aber nicht die Oxydation von Wasser beobachtet, da das Überpotenzial für die Oxydation des Chlorids zum Chlor niedriger ist als das Überpotenzial für die Oxydation von Wasser zu Sauerstoff. Die Hydroxyd-Ionen und das aufgelöste Chlor-Benzin reagieren weiter, um hypochlorous Säure zu bilden. Die wässrigen Lösungen, die sich aus diesem Prozess ergeben, werden electrolyzed Wasser genannt und werden als ein Antiseptikum und Reinigungsagent verwendet.

Elektrolyse von Wasser

Ein wichtiger Gebrauch der Elektrolyse von Wasser soll Wasserstoff erzeugen.

:2 HO (l)  2 H (g) + O (g); E =-1.229 V

Wasserstoff kann als ein Brennstoff verwendet werden, um innere Verbrennungsmotoren durch das Verbrennen oder elektrische Motoren über Wasserstoffkraftstoffzellen anzutreiben (sieh Wasserstofffahrzeug). Das ist als eine Annäherung angedeutet worden, Wirtschaften der Welt vom aktuellen Staat fast der ganzen Abhängigkeit auf Kohlenwasserstoffe für die Energie auszuwechseln (Sieh Wasserstoffwirtschaft.)

Die Energieeffizienz der Wasserelektrolyse ändert sich weit. Die Leistungsfähigkeit ist ein Maß der Energie, die im Wasserstoff im Vergleich zum Eingang elektrische Energie enthalten ist. Eine Energie wird zur Hitze, einem nutzlosen Nebenprodukt umgewandelt. Einige Berichte setzen Wirksamkeit zwischen 50 % und 70 % an. Diese Leistungsfähigkeit basiert auf dem Niedrigeren Heizungswert von Wasserstoff. Der Niedrigere Heizungswert von Wasserstoff ist veröffentlichte Gesamtthermalenergie, wenn Wasserstoff combusted minus die latente Hitze der Eindampfung des Wassers ist. Das vertritt die Summe der Energie innerhalb des Wasserstoffs nicht, folglich ist die Leistungsfähigkeit niedriger als eine strengere Definition. Andere Berichte setzen die theoretische maximale Leistungsfähigkeit der Elektrolyse als seiend zwischen 80 % und 94 % an. Das theoretische Maximum betrachtet die Summe der Energie als gefesselt sowohl vom Wasserstoff als auch von Sauerstoff. Diese Werte beziehen sich nur auf die Leistungsfähigkeit, elektrische Energie in die chemische Energie von Wasserstoff umzuwandeln. Die im Erzeugen der Elektrizität verlorene Energie wird nicht eingeschlossen.

NREL hat eingeschätzt, dass ein Kilogramm Wasserstoff (grob gleichwertig zu einer Gallone Benzin) durch die angetriebene Elektrolyse des Winds für zwischen 5.55 $ im nahen Begriff und 2.27 $ auf lange Sicht erzeugt werden konnte.

Ungefähr vier Prozent Wasserstoffbenzin haben erzeugt weltweit wird durch die Elektrolyse geschaffen, und normalerweise vor Ort verwendet. Wasserstoff wird für die Entwicklung von Ammoniak für Dünger über den Prozess von Haber und das Umwandeln schwerer Erdölquellen zu leichteren Bruchteilen über das Hydroknacken verwendet.

Experimentatoren

Wissenschaftliche Pioniere der Elektrolyse schließen ein:

• Antoine Lavoisier
• Robert Bunsen-
• Humphry Davy
• Michael Faraday
• Paul Héroult
• Svante Arrhenius
• Adolph Wilhelm Hermann Kolbe
• William Nicholson
• Joseph Louis homosexueller-Lussac
• Alexander von Humboldt
• Johann Wilhelm Hittorf

Pioniere von Batterien:

• Alessandro Volta
• Gaston Planté

Mehr kürzlich wurde die Elektrolyse von schwerem Wasser von Fleischmann und Pons in ihrem berühmten Experiment durchgeführt, auf anomale Hitzegeneration und den bezweifelten Anspruch der kalten Fusion hinauslaufend.

Siehe auch

• Castner-Kellner bearbeiten
• Elektrolytische Zelle
• Das Gesetz von Faraday der Elektrolyse
• Faraday unveränderlicher
• Leistungsfähigkeit von Faraday
• Galvanoluminescence
• Gaskräcker
• Prozess des Saals-Héroult
• Hochdruckelektrolyse
• Überpotenzial
• Macht-Zelle von Patterson
• Zyklus von Thermochemical
• Zeitachse von Wasserstofftechnologien