Elektrický proud v elektrolytech

Elektrolyt

Elektrolyty jsou roztoky (kyselin, zásad, solí) nebo taveniny, které vedou elektrický proud
Vznikají obvykle rozpuštěním iontových sloučenin v polárních rozpouštědlech
V elektrolytech nepřenášejí proud elektrony jako u kovů, ale ionty
Ionty jsou proti elektronům větší, jejich pohyblivost je menší, takže vodivost je u elektrolytů nižší než u kovů

Elektrolytická disociace

Elektrolytická disociace je děj, při kterém nastává rozpad látky na ionty způsobený rozpouštědlem
Je to samovolný proces, který končí dosažením rovnovážného stavu, při němž jsou přítomny vždy dva druhy iontů – kationty ( + ) a anionty ( - )
Např. KCl → K+ + Cl- ; KOH → K+ + OH-

CaCl2 → Ca2+ + 2Cl- ; H2SO4 → 2H+ + SO42-

Aby vznikl elektrický proud, je nutné vytvořit v elektrolytu elektrické pole, proto do elektrolytu vkládáme dvě elektrody připojené ke zdroji stejnosměrného napětí
Kladné ionty (kationty) se vždy pohybují ke katodě (elektrodě připojené k záporné svorce zdroje) a záporné ionty (anionty) se pohybují k anodě (elektrodě připojené ke kladné svorce zdroje).
Elektroda spojená s kladnou svorkou je anoda, elektroda spojená se zápornou svorkou je katoda
S přenosem elektrického náboje nastává i přenos látky, děj se nazývá elektrolýza

První Faradayův zákon:

Hmotnost m vyloučené látky je přímo úměrná součinu stálého proudu I a doby t, po kterou proud elektrolytem procházel.

$m = A \cdot Q = A \cdot I \cdot t$

Druhý Faradayův zákon:

Elektrochemický ekvivalent látky vypočteme, jestliže její molární hmotnost vydělíme Faradayovou konstantou a počtem elektronů potřebných k vyloučení jedné molekuly:

$A = F \cdot z M m $

Kde F je Faradayova konstanta F = 9,6481×104 C.mol-1 a z je počet (mocenství) elektronů, které jsou potřeba při vyloučení jedné molekuly (např. pro Cu2+ → Cu je z = 2, pro Ag+ → Ag je z = 1)
Látková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní. (Mohou se navzájem nahradit v chemické sloučenině nebo se mohou bezezbytku sloučit.)
Veličina F = NAe ≈ 9,6485·104 C·mol-1 je Faradayova konstanta Konstanta úměrnosti A, která je pro danou látku charakteristická, se nazývá elektrochemický ekvivalent látky; jednotkou je kg·C-1

Voltampérová charakteristika je grafické znázornění závislosti proudu na napětí
Pokud je napětí příliš malé, vznikne v určitém obvodu s elektrolytem velmi malý proud, který za krátkou dobu opět zanikne v důsledku polarizace elektrod
Při postupném zvyšování napětí se tento jev opakuje tak dlouho, dokud není překročeno tzv. rozkladné napětí
Rozkladné napětí Ur elektrolytu je napětí, od kterého se proud s napětím v elektrolytu lineárně zvyšuje, tedy platí vztah:

$I = R U - U r $

R je odpor elektrolytu
Graficky se tato závislost nazývá voltampérová charakteristika chemického zdroje a vypadá takto:

Různou kombinací elektrod a elektrolytů vznikne zdroj stejnosměrného napětí, který nazýváme galvanický článek (primární článek)
Nejjednodušší a historicky nejstarší je Voltův článek, který tvoří zinková a měděná elektroda ponořená do zředěné kyseliny sírové

Jestliže k tomuto článku připojíme spotřebič, obvodem prochází elektrický proud
Napětí na svorkách zatíženého článku klesne na svorkové napětí
Proud ve vnějším obvodu je tvořen elektrony, v elektrolytu ionty a na povrchu elektrod probíhá výměna nábojů
Ze zinkové katody se odvádějí elektrody vnějším obvodem, rovnovážný stav mezi ní a elektrolytem se poruší
V zapojeném Voltově článku se tedy z katody uvolňují do roztoku ionty Zn2+ a vzniká síran zinečnatý, článek se postupně znehodnocuje
Daniellův článek – se skládá ze zinkové elektrody ponořené do vodného roztoku ZnSO4 a měděné elektrody ponořené do vodného roztoku CuSO4, oba elektrolyty jsou od sebe odděleny pórovitou stěnou, která zabraňuje smíchání, ale umožňuje přechod iontů; elektromotorické napětí tohoto článku je 1,1V

Suchý článek – je druh galvanických článků, elektromotorické napětí je asi 1,5V, uvnitř probíhá elektrolýza, při ní se zinková elektroda rozpouští a na uhlíkové katodě se vylučuje vodík, který reaguje s burelem za vzniku vody, článek se postupně znehodnocuje
Prototypem suchého článku byl Leclancheův článek
- tvoří jej anoda z čistého uhlíku, katoda ze zinku a elektrolyt, kterým je směs burelu (MnO2 a salmiaku (NH4Cl)). Směs je ještě zahuštěná pilinami nebo pískem, odtud pochází označení „suchý článek“
Tři suché články za sebou tvoří plochou baterii s elektromotorickým napětím 4,5V
Potřeba malých přenosných baterií s vyšším napětím si vynutila výrobu plošných článků, ve sdělovacích zařízeních se používají knoflíkové články

Akumulátor je tzv. sekundární zdroj stejnosměrného napětí, který je založen na vzniku elektrolytických potenciálů elektrod po proběhnutí vratných chemických dějů
Můžeme jej nabíjet a vybíjet
Skládá se z jednotlivých článků, které se spojují za sebou do akumulátorových baterií 6V, 12V nebo 24V
Schopnost akumulátoru akumulovat náboj vyjadřuje kapacita akumulátoru, udává se v ampérhodinách (A·h)
Např. olověný, gelový

Vylučování kovů na katodě při elektrolýze se užívá v elektrometalurgii k získávání kovů z roztoků, v galvanostegii (elektrolytické pokovování), v galvanoplastice k vytváření odlitků, matric na výrobu gramofonových desek apod.
Velké použití má elektrolytický kondenzátor, který tvoří dvě hliníkové nebo tantalové fólie, mezi nimiž je vrstva papíru napuštěná elektrolytem, na jedné fólii se elektrochemicky vytvoří tenká vrstva oxidu, která slouží jako dielektrikum, vzhledem k malé tloušťce dielektrika mají tyto kondenzátory poměrně velkou kapacitu – řádově 10-6 F až 10-2 F
Zoxidovaná fólie elektrolytického kondenzátoru musí být zapojována do místa s vyšším potenciálem, jinak by se kondenzátor zničil (může dojít i k výbuchu, při němž se kondenzátor roztrhne)