กระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์

กระแสไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนสสารเสมอ ตัวอย่างเช่น ในโลหะและเซมิคอนดักเตอร์ สสารเมื่อกระแสไหลผ่านพวกมันจะไม่ถูกถ่ายโอน เนื่องจากในสื่อเหล่านี้ อิเลคตรอนและโฮลเป็นตัวพากระแสไฟฟ้า แต่ในอิเล็กโทรไลต์พวกมันจะถูกถ่ายโอน เนื่องจากในอิเล็กโทรไลต์ ไอออนที่มีประจุบวกและประจุลบของสารจะทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุอิสระ ไม่ใช่อิเลคตรอนหรือโฮลเลย

สารประกอบหลอมเหลวของโลหะหลายชนิดรวมถึงของแข็งบางชนิดอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ แต่ตัวแทนหลักของตัวนำประเภทนี้ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีคือสารละลายที่เป็นน้ำของกรดอนินทรีย์ เบส และเกลือ

เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวกลางอิเล็กโทรไลต์ สารจะถูกปล่อยออกมาที่ขั้วไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า อิเล็กโทรไลซิส… เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านอิเล็กโทรไลต์ ไอออนที่มีประจุบวกและประจุลบของสารจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามพร้อมกัน

ไอออนที่มีประจุลบ (แอนไอออน) พุ่งไปที่ขั้วบวกของแหล่งกำเนิดปัจจุบัน (แอโนด) และไอออนที่มีประจุบวก (แคตไอออน) ไปยังขั้วลบ (แคโทด)

แหล่งที่มาของไอออนในสารละลายที่เป็นน้ำของกรด เบส และเกลือคือโมเลกุลที่เป็นกลาง ซึ่งบางส่วนแตกออกภายใต้การกระทำของแรงทางไฟฟ้า ปรากฏการณ์การแยกโมเลกุลที่เป็นกลางนี้เรียกว่าการแยกตัวด้วยไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น คอปเปอร์คลอไรด์ CuCl2 จะสลายตัวเมื่อแตกตัวในสารละลายที่เป็นน้ำเป็นคลอไรด์ไอออน (ประจุลบ) และทองแดง (ประจุบวก)

เมื่อขั้วไฟฟ้าเชื่อมต่อกับแหล่งกระแสไฟฟ้า สนามไฟฟ้าจะเริ่มทำหน้าที่กับไอออนในสารละลายหรือละลาย เนื่องจากคลอรีนแอนไอออนจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวก (ขั้วบวก) และไอออนบวกของทองแดงไปยังขั้วลบ (ขั้วลบ)

เมื่อไปถึงขั้วลบ ไอออนทองแดงที่มีประจุบวกจะถูกทำให้เป็นกลางโดยอิเล็กตรอนส่วนเกินที่แคโทด และกลายเป็นอะตอมที่เป็นกลางซึ่งสะสมอยู่บนแคโทด เมื่อไปถึงขั้วไฟฟ้าบวก คลอรีนไอออนที่มีประจุลบจะบริจาคอิเล็กตรอนแต่ละตัวในระหว่างการโต้ตอบกับประจุบวกบนขั้วบวก ในกรณีนี้ อะตอมของคลอรีนที่เป็นกลางที่เกิดขึ้นจะรวมกันเป็นคู่เพื่อสร้างโมเลกุล Cl2 และคลอรีนจะถูกปล่อยออกมาในรูปของฟองก๊าซที่ขั้วบวก

บ่อยครั้ง กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสจะมาพร้อมกับอันตรกิริยาของผลิตภัณฑ์การแยกตัว (ซึ่งเรียกว่าปฏิกิริยาทุติยภูมิ) เมื่อผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวที่ปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดทำปฏิกิริยากับตัวทำละลายหรือโดยตรงกับวัสดุอิเล็กโทรด ยกตัวอย่างเช่น อิเล็กโทรลิซิสของสารละลายที่เป็นน้ำของคอปเปอร์ซัลเฟต (คอปเปอร์ซัลเฟต — CuSO4)ในตัวอย่างนี้ อิเล็กโทรดจะทำจากทองแดง

โมเลกุลของคอปเปอร์ซัลเฟตจะแยกตัวออกเพื่อสร้างไอออนทองแดงที่มีประจุบวก Cu + และไอออนซัลเฟตที่มีประจุลบ SO4- อะตอมของทองแดงที่เป็นกลางจะถูกสะสมเป็นของแข็งบนแคโทด ด้วยวิธีนี้จะได้ทองแดงบริสุทธิ์ทางเคมี

ไอออนซัลเฟตจะบริจาคอิเล็กตรอนสองตัวให้กับขั้วไฟฟ้าบวกและกลายเป็น SO4 อนุมูลที่เป็นกลาง ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับขั้วบวกของทองแดงทันที (ปฏิกิริยาขั้วบวกทุติยภูมิ) ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่ขั้วบวกคือคอปเปอร์ซัลเฟต ซึ่งจะเข้าสู่สารละลาย

ปรากฎว่าเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านสารละลายที่เป็นน้ำของคอปเปอร์ซัลเฟตแอโนดของทองแดงจะค่อยๆ ละลาย และทองแดงจะตกตะกอนบนแคโทด ในกรณีนี้ ความเข้มข้นของสารละลายที่เป็นน้ำของคอปเปอร์ซัลเฟตจะไม่เปลี่ยนแปลง

ในปี พ.ศ. 2376 ไมเคิล ฟาราเดย์ นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้กำหนดกฎของอิเล็กโทรลิซิสซึ่งปัจจุบันได้รับการตั้งชื่อตามเขาในระหว่างการทดลอง

กฎของฟาราเดย์อนุญาตให้คุณกำหนดปริมาณของผลิตภัณฑ์ขั้นต้นที่ปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดในระหว่างการอิเล็กโทรไลซิส กฎหมายระบุดังต่อไปนี้: "มวล m ของสารที่ปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดระหว่างอิเล็กโทรไลซิสเป็นสัดส่วนโดยตรงกับประจุ Q ที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์"

ปัจจัยสัดส่วน k ในสูตรนี้เรียกว่าสมมูลเคมีไฟฟ้า

มวลของสารที่ปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดระหว่างอิเล็กโทรไลซิสจะเท่ากับมวลรวมของไอออนทั้งหมดที่มาถึงอิเล็กโทรดนี้:

สูตรประกอบด้วยประจุ q0 และมวล m0 ของไอออน รวมถึงประจุ Q ที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ N คือจำนวนไอออนที่มาถึงอิเล็กโทรดเมื่อประจุ Q ไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์ดังนั้นอัตราส่วนของมวลของไอออน m0 ต่อประจุ q0 จึงเรียกว่าสมมูลเคมีไฟฟ้าของ k

เนื่องจากประจุของไอออนมีค่าเท่ากับผลคูณของวาเลนซ์ของสารและประจุมูลฐาน สมมูลทางเคมีจึงสามารถแสดงในรูปแบบต่อไปนี้:

โดยที่ Na คือค่าคงที่ของ Avogadro, M คือมวลโมลาร์ของสาร, F คือค่าคงที่ของ Faraday

อันที่จริง ค่าคงที่ฟาราเดย์สามารถกำหนดได้ว่าเป็นปริมาณประจุที่ต้องผ่านอิเล็กโทรไลต์เพื่อปลดปล่อยสารโมโนวาเลนต์หนึ่งโมลบนอิเล็กโทรด กฎของอิเล็กโทรลิซิสของฟาราเดย์จะอยู่ในรูปแบบ:

ปรากฏการณ์ของอิเล็กโทรลิซิสใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตสมัยใหม่ ตัวอย่างเช่น อะลูมิเนียม ทองแดง ไฮโดรเจน แมงกานีสไดออกไซด์ และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ถูกผลิตขึ้นในเชิงอุตสาหกรรมโดยการอิเล็กโทรลิซิส โลหะหลายชนิดสกัดจากแร่และผ่านกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส (การกลั่นด้วยไฟฟ้าและการสกัดด้วยไฟฟ้า)

นอกจากนี้ ต้องขอบคุณอิเล็กโทรลิซิส แหล่งที่มาของกระแสเคมี… อิเล็กโทรลิซิสใช้ในการบำบัดน้ำเสีย (การสกัดด้วยไฟฟ้า การแข็งตัวของเลือดด้วยไฟฟ้า สารหลายชนิด (โลหะ ไฮโดรเจน คลอรีน ฯลฯ) ได้มาจากการอิเล็กโทรไลซิส สำหรับการชุบด้วยไฟฟ้าและการชุบด้วยไฟฟ้า

ดูสิ่งนี้ด้วย:การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระแสไฟฟ้าของน้ำ — เทคโนโลยีและอุปกรณ์