Princip for elektrolyse af kobbersulfat-elektrolyt

Elektrolyse

Elektrolyse er en elektrokemisk proces, hvor strøm passerer fra et elektrod til en anden i en ioniseret løsning, der er en elektrolyt. I denne proces kommer positive ioner eller katyoner til den negative elektrod eller katode, og negative ioner eller anioner kommer til den positive elektrod eller anode.

Inden vi forstår elektrolysens princip, bør vi vide, hvad en elektrolyt er eller elektrolyts definition

Elektrolyts definition

En elektrolyt er et kemisk stof, hvis atomer er tæt forbundet ved ioniske bindinger, men når vi opløser det i vand, splitter dets molekyler op i positive og negative ioner. De positivt ladede ioner kaldes katyoner, mens de negativt ladede ioner kaldes anioner. Både katyoner og anioner bevæger sig frit i løsningen.

Elektrolysens princip

I ioniske bindinger mister ét atom sine valenselektroner, og et andet atom får elektroner. Derved bliver ét atom positivt ladet ion, og et andet atom bliver negativt ladet ion. På grund af den modsatte ladning tiltrækker de hinanden og danner en binding mellem dem, kaldet ionisk binding. I ionisk binding er kraften, der virker mellem ionerne, Coulombkraft, som er omvendt proportional med mediumets permittivitet. Vandets relative permittivitet er 80 ved 20oC. Så, når noget kemisk stof, der er bundet ved ioniske bindinger, opløses i vand, bliver bindingstyrken mellem ionerne meget svagere, og dets molekyler splitter op i katyoner og anioner, der bevæger sig frit i løsningen.

Nu vil vi dykke to metalstaver ned i løsningen, og vi vil anvende en elektrisk spændingsforskel mellem staverne eksternt ved hjælp af en batteri.

Disse delvist nedsunkne staver kaldes teknisk elektroder. Elektroden, der er forbundet med batteriets negative terminal, kaldes katode, og elektroden, der er forbundet med batteriets positive terminal, kaldes anode. De frit bevægende, positivt ladete katyoner tiltrækkes af katoden, og de negativt ladete anioner tiltrækkes af anoden. I katoden tager de positive katyoner elektroner fra den negative katode, og i anoden giver de negative anioner elektroner til den positive anode. For at konstant tage og give elektroner i henholdsvis katode og anode, skal der være elektronstrøm i den eksterne kredsløb af elektrolysen. Det betyder, at strøm fortsætter med at cirkulere rundt i den lukkede kredsløb, der er skabt af batteri, elektrolyt og elektroder. Dette er det mest grundlæggende princip for elektrolyse.

Kobbersulfat-elektrolyse

Når kobbersulfat eller CuSO4 tilføjes til vand, opløses det i vandet. Da CuSO4 er en elektrolyt, splitter det op i Cu+ + (katyon) og SO4 − − (anion) ioner og bevæger sig frit i løsningen.

Nu vil vi dykke to kobber-elektroder ned i løsningen.

Cu+ + ioner (katyon) vil blive tiltrukket af katoden, dvs. elektroden, der er forbundet til batteriets negative terminal. Når de når katoden, vil hver Cu+ + ion tage elektroner fra den og blive neutrale kobberatomer.

På samme måde vil SO4 − − (anion) ioner blive tiltrukket af anoden, dvs. elektroden, der er forbundet til batteriets positive terminal. Så SO4 − − ioner vil bevæge sig mod anoden, hvor de giver to elektroner fra sig og bliver SO4 radical.

Men da SO4 radical ikke kan eksistere i et elektrisk neutralt tilstand, vil det angribe kobber-anoden og danne kobbersulfat.

I ovenstående proces, efter at have taget elektroner, bliver de neutrale kobberatomer deponeret på katoden. Samtidig reagerer SO4 med kobber-anoden og bliver CuSO4, men i vand kan det ikke eksistere som enkeltmolekyler, i stedet splitter CuSO4 op i Cu+ +, SO4 − − og opløses i vand. Så kan det konkluderes, at under elektrolyse af kobbers