Kontakta författare

Introduktion

Elektrolys är den process där en kemisk reaktion startas med elektricitet (Andersen). Detta görs vanligtvis med vätskor och särskilt med joner löst i vatten. Elektrolys används ofta i dagens industri och är en del av produktionen av många produkter. Världen skulle vara en helt annan plats utan den. Inget aluminium, inget enkelt sätt att få viktiga kemikalier och inga pläterade metaller. Det upptäcktes först på 1800-talet och har utvecklats till den förståelse forskarna har om det idag. I framtiden kan elektrolys vara ännu viktigare, och när den vetenskapliga utvecklingen fortskrider kommer forskare att hitta nya och viktiga användningsområden för processen.

Elektrolys av koppar (II) klorid

Hur det fungerar

Elektrolys utförs genom att leda likström genom en vätska, vanligtvis vatten. Detta får jonerna i vattnet att få och släppa laddningar vid elektroderna. De två elektroderna är en katod och en anod. Katoden är elektroden som katjonerna dras till och anoden är den elektrod som anjonerna dras till. Detta gör katoden till den negativa elektroden och anoden till den positiva elektroden. Vad som händer när spänningen sätts över de två elektroderna är att jonerna i lösningen går till en av elektroderna. De positiva jonerna går till katoden och de negativa jonerna går till anoden. När likström flyter genom systemet kommer elektronerna att strömma ut till katoden. Detta gör att katoden har en negativ laddning. Den negativa laddningen drar sedan till sig de positiva katjonerna som kommer att röra sig mot katoden. Vid katoden blir katjonerna reducerade, de får elektroner. När jonerna får elektroner blir de atomer igen och bildar en förening av det element de är. Ett exempel är elektrolys av koppar (II) klorid, CuCl2. Här är kopparjonerna de positiva jonerna. När ström appliceras på lösningen kommer de därför att röra sig mot katoden där de reduceras i följande reaktion: Cu 2+ + 2e - -> Cu. Detta kommer att resultera i en kopparplätering runt katoden. Vid den positiva anoden kommer de negativa kloridjonerna att samlas. Här kommer de att ge upp sin extra elektron till anoden och bilda bindningar med sig själva, vilket resulterar i klorgas, Cl2.

Historia av elektrolys

Elektrolys upptäcktes först år 1800. Efter uppfinningen av den voltaiska högen av Alessandro Volta samma år, använde kemister ett batteri och placerade stolparna i en behållare med vatten. Där upptäckte de att strömmen flödade och att väte och syre dök upp vid elektroderna. De gjorde samma sak med olika lösningar av fasta ämnen, och även här upptäckte de att strömmen flödade och att delarna av det fasta materialet dök upp vid elektroderna. Denna häpnadsväckande upptäckt ledde till ytterligare spekulationer och experiment. Två elektrolytiska teorier framkom. En var baserad på en idé som föreslogs av Humphrey Davy. Han trodde att "... det som har kallats kemisk affinitet [är] bara föreningen ... av partiklar i naturligt motsatta tillstånd", och att "... kemiska attraktioner hos partiklar och elektriska attraktioner i massor [är] på grund av en egenskap och styrs av en enkel lag ”(Davis 434). Den andra teorin baserade sig på idéerna från Jöns Jacob Berzelius, som trodde "... den materien bestod av kombinationer av" elektropositiva "och" elektronegativa "ämnen och klassificerade delarna efter den pol där de samlades under elektrolysen" (Davis 435). I slutändan var båda dessa teorier felaktiga, men de bidrog till den nuvarande kunskapen om elektrolys.

Senare började Humphrey Davys laboratorieassistent, Michael Faraday, göra experiment med elektrolys. Han ville veta om strömmen skulle flöda i en lösning även när en av batteriets poler togs bort och el infördes till lösningen genom en gnista. Vad han fick reda på var att det fanns ström i en elektrolytisk lösning även om båda eller en av de elektriska polerna var ur lösningen. Han skrev: ”Jag föreställer mig att effekterna [av elektrolysen] uppstår från krafter som är inre, relativt ämnet under nedbrytning, och inte yttre, som de kan betraktas, om de är direkt beroende av polerna. Jag antar att effekterna beror på en modifiering, av den elektriska strömmen, av den kemiska affiniteten hos partiklarna genom vilka strömmen passerar ”(Davis 435). Faradays experiment visade att lösningen i sig var en del av strömmen i elektrolys och den ledde honom till idéerna om oxidation och reduktion. Hans experiment fick honom också att ha tanken på de grundläggande lagarna i elektrolys.

Modern användning

Elektrolys har många användningsområden i det moderna samhället. En av dem är renande aluminium. Aluminium produceras vanligtvis av mineralen bauxit. Det första steget de gör är att behandla bauxiten så att den blir renare och hamnar som aluminiumoxid. Sedan smälter de aluminiumoxiden och lägger den i en ugn. När aluminiumoxiden smälts dissocieras föreningen i dess motsvarande joner, och. Det är här elektrolysen kommer in. Ugns väggar fungerar som en katod och kolblock som hänger uppifrån fungerar som en anod. När det finns ström genom den smälta aluminiumoxiden kommer aluminiumjonerna att röra sig mot katoden där de kommer att få elektroner och bli aluminiummetall. De negativa syrejonerna kommer att röra sig mot anoden och kommer därmed att ge bort några av deras elektroner och bilda syre och andra föreningar. Elektrolysen av aluminiumoxid kräver mycket energi och med modern teknik är energiförbrukningen 12-14 kWh per kg aluminium (Kofstad).

Elektroplätering är en annan användning av elektrolys. Vid elektroplätering används elektrolys för att sätta ett tunt lager av en viss metall över en annan metall. Detta är särskilt användbart om du vill förhindra korrosion i vissa metaller, till exempel järn. Elektroplätering görs genom att använda metallen du vill ha belagd i en specifik metallverk som katod i elektrolys av en lösning. Katjonen av denna lösning skulle då vara metallen som önskas som en beläggning för katoden. När ström sedan appliceras på lösningen kommer de positiva katjonerna att röra sig mot den negativa katoden där de kommer att få elektroner och bilda en tunn beläggning runt katoden. För att förhindra korrosion i vissa metaller används zink ofta som beläggningsmetall. Elektroplätering kan också användas för att förbättra utseendet på metaller. Med hjälp av en silverlösning beläggs en metall med ett tunt lager av silver så att metallen verkar vara silver (Christensen).

Framtida användning

I framtiden kommer elektrolys att ha många nya användningsområden. Vår användning av fossila bränslen kommer så småningom att avslutas och ekonomin kommer att gå från att vara baserad på fossila bränslen till att vara baserad på väte (Kroposki 4). Väte i sig kommer inte att fungera som en energikälla utan snarare som en energibärare. Användningen av väte kommer att ha många fördelar jämfört med fossila bränslen. Först av allt kommer vätgasutsläpp att avge mindre växthusgaser när det används jämfört med fossila bränslen. Det kan också produceras från rena energikällor vilket gör utsläppet av växthusgaser ännu mindre (Kroposki 4). Användningen av vätgasbränsleceller kommer att förbättra väteeffektiviteten som bränslekälla, främst inom transport. En vätebränslecell har en effektivitet på 60% (Nice 4). Det är tre gånger så mycket som effektiviteten hos en bil med fossila bränslen med cirka 20% effektivitet, vilket förlorar mycket energi som värme till omgivningen. Vätebränslecellen har mindre rörliga delar och förlorar inte lika mycket energi under reaktionen. En annan fördel med väte som en framtida energibärare är att det är lätt att lagra och distribuera och det kan göras på många sätt (Kroposki 4). Det är här det har sin fördel framför el som framtidens energibärare. Elektricitet kräver att ett stort nätverk av ledningar ska distribueras, och lagring av elektricitet är mycket ineffektivt och opraktiskt. Väte kan transporteras och distribueras på ett billigt och enkelt sätt. Det kan också lagras utan några nackdelar. ”För närvarande är de viktigaste metoderna för att producera väte genom att reformera naturgas och dissociera kolväten. En mindre mängd produceras genom elektrolys (Kroposki 5). Naturgas och kolväten kommer emellertid inte att vara evigt och det är där industrier måste använda elektrolys för att få väte.

De gör detta genom att sända ström genom vatten, vilket leder till att väte bildas vid katoden och syre bildas vid anoden. Det fina med detta är att elektrolys kan utföras varhelst det finns en energikälla. Det betyder att forskare och industrier kan använda förnybara energikällor som solkraft och vindkraft för att producera väte. De kommer inte att vara tillförlitliga på en viss geografisk plats och kan producera väte lokalt där de behöver det. Detta är också fördelaktigt energimässigt eftersom mindre energi används för transport av gasen.

Slutsats

Elektrolys spelar en viktig roll i det moderna livet. Oavsett om det är produktion av aluminium, galvanisering av metaller eller produktion av vissa kemiska föreningar, är elektrolysprocessen väsentlig i de flesta människor. Det har utvecklats grundligt sedan upptäckten 1800 och kommer antagligen att bli ännu viktigare i framtiden. Världen behöver ersätta fossila bränslen och väte verkar vara den bästa kandidaten. I framtiden kommer detta väte att behöva produceras genom elektrolys. Processen kommer att förbättras och kommer att bli ännu viktigare i vardagen än nu.

Citerade verk

Andersen och Fjellv g. Elektrolyse. Store Norske Leksikon. 18 maj 2010.

http://snl.no/elektrolyse

Christensen, Nils. Elektroplettering. Store Norske Leksikon. 26 maj.

http://snl.no/elektroplettering

Davis, Raymond E. Modern Chemistry. Austin, Texas: Holt, Rinehart och Winston, 2005.

Kofstad, Per K. Aluminium. Store Norske Leksikon. 26. maj. Https: //snl.no/aluminium

Kroposki, Levene, et al. Elektrolys: Information och möjligheter för elkraftverktyg.

Nationellt laboratorium för förnybar energi. 26 maj: 1- 33.www.nrel.gov/hydrogen/pdfs/40605.pdf

Trevligt och Strickland. Hur bränsleceller fungerar. Hur saker fungerar.

26 maj. Https: //auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/alternative-fuels/fuel-cell.htm