Zhrnutie na Elektrický prúd v kvapalinách a elektrolýza

## Úvod Elektrický prúd v elektrolytoch vzniká pohybom voľne sa pohybujúcich iónov v kvapalinách. Keď do roztoku vložíme dve elektródy a pripojíme jednosmerné napätie, medzi elektródami sa vytvorí elektrické pole, ktoré ióny usporiada a vznikne elektrický prúd. > **Definícia:** Elektrolytická disociácia je rozpad rozpustenej látky v rozpúšťadle za vzniku voľných iónov. ## Základné pojmy ### Ióny - **Katióny**: kladne nabité ióny, pohybujú sa ku katóde. - **Anióny**: záporne nabité ióny, pohybujú sa ku anóde. > **Definícia:** Elektrolyt je kvapalina alebo roztok obsahujúci voľné ióny, ktoré vedú elektrický prúd (napr. vodné roztoky solí, kyselín, zásad). ### Príklady elektrolytov - Soli: $\ce{NaCl}$, $\ce{KCl}$ - Kyseliny: $\ce{H2SO4}$, $\ce{HNO3}$ - Zásady: $\ce{KOH}$, $\ce{NaOH}$ ## Ako prúdi elektrický prúd v elektrolyte 1. Ióny a molekuly rozpúšťadla majú neusporiadaný tepelný pohyb. 2. Pripojením zdroja sa medzi elektródami vytvorí elektrické pole. 3. Elektrické pole spôsobí usmernený pohyb iónov: katióny ku katóde, anióny ku anóde. 4. Tento usporiadaný pohyb iónov tvorí elektrický prúd v elektrolyte. > **Definícia:** Podľa dohody je smer prúdu určený pohybom kladných iónov. ## Závislosť prúdu od napätia - Pri malom napätí zaznamenáme krátkodobý prúd, ktorý rýchlo zanikne. - Trvalý prúd vznikne až po prekročení rozkladového napätia $U_{\mathrm{r}}$. > Pre napätie väčšie ako rozkladové platí lineárna závislosť: $$I = \frac{U - U_{\mathrm{r}}}{R}$$ kde $R$ je odpor elektrolytu. ### Vplyv teploty - So zvyšovaním teploty klesá viskozita elektrolytu, čo znižuje brzdiace sily na ióny. - Pri rovnakom napätí je pri vyššej teplote elektrický prúd väčší. ## Faradayove zákony elektrolýzy > **Definícia:** Elektrolýza je proces, pri ktorom ióny odovzdávajú svoj náboj na elektródach a menia sa na atómy alebo molekuly, ktoré sa vylučujú alebo reagujú. 1. Faradayov zákon: - Hmotnosti látok vylúčených na elektródach sú priamo úmerné celkovému prenesenému náboju $Q$. $$m = A \cdot Q = A \cdot I \cdot \Delta t$$ - Tu je $A$ elektrochemický ekvivalent látky (jednotka kg\,C^{-1}). - Alternatívna forma využívajúca Faradayovu konštantu $F$: $$m = \frac{M_{\mathrm{m}}}{F\,z} \;Q$$ kde $M_{\mathrm{m}}$ je molová hmotnosť, $F$ je Faradayova konštanta ($F = e \cdot N_{\mathrm{A}}$), $z$ je počet elementárnych nábojov prenesených pri vylúčení jedného atómu alebo iónu. 2. Faradayov zákon: - Hmotnosti rôznych prvkov vylúčených tým istým nábojom sú chemicky ekvivalentné. ### Praktický príklad elektrolýzy - Pri elektrolýze roztoku $\ce{CuSO4}$ s medenými elektródami sa na katóde vylučuje meď podľa preneseného náboja; množstvo vylúčenej medi vypočítame cez Faradayove zákony. ## Galvanický článok (základná myšlienka) - Galvanický článok je zdroj jednosmerného napätia zložený z elektrolytu a dvoch rozdielnych elektród. - Na rozhraní kov/roztok sa vytvorí elektrická dvojvrstva so špecifickým napätím, ktoré je rôzne pre rôzne kovy a ich roztoky. - Rozdiel napätí medzi dvoma takýmito rozhraniami vytvára elektromotorické napätie článku. > **Definícia:** Elektrická dvojvrstva je tenká vrstva kladných a záporných iónov na rozhraní kovu a roztoku, ktorá vedie k vytvoreniu kontaktového napätia. ## Porovnanie: elektrolyt vs kov (v skratke) | Vlastnosť | Elektrolyt | Kov | |---|---:|---:| | Nositelia náboja | Ióny | Elektróny | | Pohyb nositeľov | Difúzia + drift v poli | Pohyb vo vodiči (elektróny) | | Závislosť odporu na teplote | Odpor klesá so zvyšovaním teploty (zmena viskozity) | Odpor zvyčajne rastie so zvyšovaním teploty | ## Aplikácie a príklady z praxe - Galvanické články a batérie napájajú prenosné zariadenia. - Elektrolýza sa používa pri pokovovaní, rafinácii kovov a výrobe plynov ako vodík. - Elektrolytické kondenzátory využívajú elektrolyt na získanie vysokých kapacít. Fun fact: Mnohé priemyselné procesy, napríklad rafinácia medi, používajú masívne elektrolytickú bunku, v ktorej sa denne vylučia tony kovu na katóde.