Zhrnutie na Elektrický prúd v elektrolytoch a elektrochémia

## Úvod Elektrochemia skúma vzťahy medzi elektrinou a chemickými zmenami. Elektrolýza je proces, pri ktorom elektrický prúd vyvoláva chemické reakcie v elektrolyte. Tento materiál vysvetľuje, ako vzniká prúd v kvapalinách, čo sú elektrolyty, základy Faradayových zákonov a princíp galvanického článku. Je určený pre samoukov (Not attending student) a obsahuje príklady, definície a praktické aplikácie. ## Elektrický prúd v kvapalinách ### Čo vedie prúd v elektrolytoch - V kvapalinách prenášajú prúd voľne pohybujúce sa ióny: **katióny** (kladné) a **anióny** (záporné). > **Definícia:** Elektrolytická disociácia je rozpad rozpustenej látky v rozpúšťadle za vzniku voľných iónov. - Typické elektrolyty sú vodné roztoky solí (ce{NaCl}, ce{KCl}), kyselín (ce{H2SO4}, ce{HNO3}) a zásad (ce{KOH}, ce{NaOH}). ### Pohyb iónov v elektrickom poli - Bez vonkajšieho poľa sa ióny pohybujú neusporiadane; prúd je nulový v makroskopickom meradle. - Po zapojení dvoch elektród a priložení jednosmerného napätia vznikne medzi nimi elektrické pole. - **Katióny** sa pohybujú ku katóde (záporná svorka), **anióny** k anóde (kladná svorka). > **Definícia:** Smer prúdu je dohodnutý ako smer pohybu kladných iónov. ### Závislosť prúdu od napätia - Pri malom napätí môže merač ukázať krátky malý prúd, ktorý rýchlo zanikne. - Trvalý prúd začne pri prekročení **rozkladového napätia** $U_{r}$. Pre $U>U_{r}$ je prúd približne lineárny s napätím podľa Ohmovho zákona prispôsobeného elektrolytu: $$I = \frac{U - U_{r}}{R}$$ kde $R$ je odpor elektrolytu. - Zvýšenie teploty znižuje viskozitu elektrolytu, zmenšuje brzdiace sily na ióny a pri rovnakom napätí rastie prúd. ## Faradayove zákony elektrolýzy Elektrické pole poháňa ióny k elektródam, kde sa ióny buď redukujú alebo oxidujú a vylučujú sa atómy alebo molekuly. > **Definícia:** Elektrolýza je chemická premena vyvolaná prechodom elektrického prúdu cez elektrolyt. ### 1. Faradayov zákon Hmotnosti látok vylúčených na elektródach sú priamo úmerné celkovému prenesenému náboju $Q$. $$m = A\cdot Q = A\cdot I \cdot \Delta t$$ kde $A$ je elektrochemický ekvivalent látky (jednotka $\mathrm{kg\cdot C^{-1}}$). Ďalšia forma viažuca molovú hmotnosť: $$m = \frac{M_m}{F \cdot z} \cdot Q$$ kde $M_m$ je molová hmotnosť látky, $F$ je Faradayova konštanta ($F = e\cdot N_A$), $z$ je počet elementárnych nábojov viazaných na ión (násobnosť náboja) a $Q$ je prenesený náboj. ### 2. Faradayov zákon Hmotnosti rôznych prvkov vylúčených tým istým množstvom náboja sú **chemické ekvivalenty** (majú rovnaký pomer podľa ekvivalentnej hmotnosti). ### Praktický príklad Faradayových zákonov - Ak pri elektrolýze prejde náboj $Q$, hmotnosť vylúčenej medi s $z=2$ a molovou hmotnosťou $M_m=63{.}55\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$ spočítame zo vzorca $$m = \frac{M_m}{F \cdot z} \cdot Q$$. ## Galvanický článok a elektrická dvojvrstva ### Z čoho sa skladá galvanický článok - Galvanický článok je zdroj jednosmerného napätia zložený z **dvoch elektród** a **elektrolytu**. > **Definícia:** Elektromotorické napätie je napätie medzi dvoma elektródami spôsobené rozdielmi v chemických vlastnostiach elektrod a elektrolytu. ### Elektrická dvojvrstva - Pri ponorení kovovej elektródy do roztoku toho istého kovu prebieha redoxný dej: kov môže uvoľňovať ióny do roztoku alebo sa ióny z roztoku vylučujú na kov. - Na rozhraní kov/roztok vzniká tenká dvojvrstva kladných a záporných iónov, ktorá vytvára vlastné elektrické pole a bráni ďalšiemu prechodu iónov. - Hodnota napätia dvojvrstvy závisí od materiálu kovu a zloženia roztoku. Rozdiel napätí medzi dvoma rôznymi elektródami v rovnakom elektrolyte dáva výsledné elektromotorické napätie článku. ### Aplikácie galvanických článkov - Batérie v bežných zariadeniach (AA, AAA) a akumulátory v autách sú praktické realizácie galvanických článkov a zostáv článkov. - Galvanické články umožňujú premieňať chemickú energiu na elektrickú prácu. ## Porovnanie: elektrolyt vs. kovový vodič | Vlastnosť | Elektrolyt | Kovový v