Vedení el. proudu v elektrolytech; vodivost kapalin, disociace, elektrolýza, Faradayovy zákony. Galvanické články a akumulátory.

Předmět: Fyzikální seminář
Datum: 23. května 2000
Vypracoval: Zbyněk Křivka
Související téma: Elektrické články

    Elektrický proud v kovech je zprostředkován vodivostními elektrony a v polovodičích volnými elektrony a dírami. Nyní se budeme zabývat elektrickou vodivostí kapalin a jejím praktickým využitím.

Elektrolytický vodič
    V kapalinách zprostředkují elektrický proud volně pohyblivé kladné a záporné ionty (kationty a anionty). Vznik volných iontů rozpadem rozpuštěné látky v rozpouštědle nazýváme elektrolytická disociace.
    Vodivé roztoky nazýváme elektrolyty. Obecně vznikají rozpouštěním iontové sloučeniny v nějakém rozpouštědle. Elektrolyty jsou vodné roztoky mnoha solí (např. NaCl, KCl), kyselin (např. H2SO4, HNO3) a zásad (např. KOH, NaOH). Ionty spolu s molekulami rozpouštědla vykonávají neustálý a neuspořádaný pohyb.
    Jestliže do elektrolytu vložíme dvě elektrody a připojíme je ke svorkám stejnosměrného zdroje napětí, vznikne mezi elektrodami elektrické pole uvnitř elektrolytu, které vyvolá usměrněný pohyb iontů v roztoku (iontová vodivost). Kationty se začnou pohybovat ke katodě (elektrodě připojené k záporné svorce zdroje) a anionty k anodě (elektrodě připojené ke kladné svorce zdroje). S přenosem náboje pozorujeme také přenos látky.
    Uspořádaný pohyb iontů v elektrickém poli mezi elektrodami tvoří elektrický proud v elektrolytu. Podle dohody je směr proudu určen směrem pohybu kladných iontů.

Závislost proudu v elektrolytu na napětí:
    Trvalý proud vzniká, když překročíme určité mezní napětí U_r zvané rozkladné napětí. Potom proud s napětím roste lineárně:   U = U_r + R*I
kde R je za stálé teploty konstanta a nazývá se odpor elektrolytu. Vznik rozkladného napětí souvisí s ději probíhajícími na elektrodách (viz poznámka č. 2). S rostoucí teplotou klesá viskozita rozpouštědla, čímž se zmenšují síly, které brzdí pohyb iontů. Ionty se v elektrickém poli pohybují rychleji, proto je elektrický proud větší.

Faradayovy zákony elektrolýzy
    Uspořádaný pohyb iontů v elektrolytu končí na elektrodách, kde ionty odevzdávají náboje a vylučují se na povrchu elektrod jako atomy nebo molekuly, nebo chemicky reagují s materiálem elektrody nebo s elektrolytem (rekombinace). Děj, při kterém průchodem elektrického proudu elektrolytem dochází k látkovým změnám, nazýváme elektrolýza.
    Při elektrolýze se na katodě vždy vylučuje vodík nebo kov. Výsledky elektrolýzy daného roztoku závisí na materiálu, z něhož jsou elektrody.
    Vedení elektrického proudu v elektrolytech studoval anglický fyzik M. Faraday (1791 - 1867). Experimentálně zjistil, že hmotnosti látek vyloučených na elektrodách jsou přímo úměrné celkovému elektrickému náboji, který přenesly ionty při elektrolýze (1. Faradayův zákon):

K vyloučení jedné molekuly na katodě musí ionty přijmout n elementárních nábojů e - jedna molekula se vyloučí nábojem: q = n * e.
Nábojem Q se vyloučí  N = Q / q = Q / (n * e)  molekul. Hmotnost jedné molekuly  m₀ = M_m / N_A.
Nábojem Q se vyloučí  m = N * m₀  látky:  m = Q/(n*l) * M_m/N_A = (M_m*Q) /(n*e*N_A) = (M_m*Q)/(n*F) , takže

1. Faradayův zákon:  m = M_m/(n*F) * Q = A*Q = A*I*t  (při konstantním proudu)

Veličina A se nazývá elektrochemický ekvivalent látky (charakteristická konstanta dané látky; jednotka je kg.C^-1 ). F je Faradayova konstanta  F = e * N_A = 9,652*10⁴ C.mol^-1.

Proběhne-li elektrolýza s různými elektrolyty, přičemž bude vždy celkový přenesený náboj Q stejný, pak Q/F=konst. a m je úměrné podílu M_m/n . Hmotnosti různých prvků (nebo radikálů) vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní (2. Faradayův zákon).
(Jiné znění: Látková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní, tj. mohou se navzájem nahradit v chemické sloučenině nebo se mohou beze zbytku sloučit.)

Galvanické články
    Galvanický článek je zdroj stejnosměrného napětí, který se skládá z elektrolytu a dvou chemicky různých elektrod.

Poznámka č.1: Při ponoření kovové desky do elektrolytu přecházejí ionty kovu do elektrolytu dokud se nevytvoří rovnovážný stav. Na rozhraní kovu a elektrolytu vznikne elektrická dvojvrstva, které přísluší určité elektromotorické napětí. Pro různé kovy je hodnota tohoto napětí různá (v některých případech se při vzniku dvojvrstvy připojují kationty z elektrolytu ke krystalové mřížce kovu, takže náboje na dvojvrstvě mají opačná znaménka). Mezi dvěma různými kovy ponořenými do téhož elektrolytu je v důsledku toho nenulové elektromotorické napětí. Na tomto principu jsou založeny primární galvanické články. Používá se např. článek tvořený uhlíkovou elektrodou (anoda), ponořená do zahuštěného vodního roztoku NH₄Cl (elektrolyt) a zinkovým obalem (katoda).

Poznámka č.2: Při ponoření stejných elektrod do téhož elektrolytu je mezi elektrodami nulové napětí, protože obě dvojvrstvy jsou stejné. Vyloučené látky, kterými se elektrody,,,,, pokryjí, vytvářejí s elektrolytem nové elektrické dvojvrstvy a v důsledku toho se na elektrodách objeví polarizační napětí s opačnou polaritou než má napětí zdroje. Jev se nazývá polarizace elektrod. Má-li elektrolytem procházet trvalý proud, musí být napětí zdroje větší než horní hranice polarizačního napětí U_r (rozkladné napětí).

Poznámka č.3: Polarizaci elektrod využíváme v sekundárních galvanických článcích (akumulátorech). Příkladem je olověný akumulátor. U nabitého akumulátoru jsou obě elektrody tvořeny PbSO₄. Vzniklý galvanický článek má napětí asi 2,1 V. Při vybíjení vzniká na obou elektrodách opět PbSO₄. Akumulátor se tedy dá mnohokrát nabít a vybít.

Technické užití elektrolýzy. Koroze kovů
    Vylučování kovu na katodu, tj. proces, při kterém volbou vhodného napětí můžeme dosáhnout vyloučení žádaných iontů z roztoku, se využívá v elektrometalurgii, galvanostegii (galvanické pokovování, galvanické leptání), galvanoplastice (vytváření odlitků, matric pro výrobu gramofonových desek). Velké využití má také elektrolytický kondenzátor.

    Korozí nazýváme porušení povrchu kovu chemickým nebo elektrochemickým působením. Nejčastějším typem koroze je oxidace kovů účinkem vzdušného kyslíku a vlhkostí vzduchu. Materiál užitkových předmětů obsahuje přimíchané kovy a při dotyku s vodou se tvoří mikročlánky, které jsou zdrojem proudů způsobujících elektrolýzu; kov tvořící anodu se naleptává (pro chránění se používá tzv. katodová ochrana nebo nanášení ochranných oxidových vrstev, laků, nátěrů apod.).

Použitá literatura:
K.Bartuška, E.Svoboda: Fyzika pro II. ročník gymnázií, Praha, Státní pedagogické nakladatelství, 1985
V.Lank, M.Vondra: Fyzika v kostce, Havlíčkův Brod, FRAGMENT, 1996
M.Řešátko, J.Dostoupil: Elektrotechnika pro neelektrotechnické obory, Praha, SNTL, 1984

Zdroj informací: přednášky prof. Ondrůška z předmětu Základy elektrotechniky na VUT FEI Brno.

 Hot Tip: Podívejte se na stránky humorného školního časopisu PRD (Pravidelný Redakční Drb):
 

Pokud chcete sledovat tyto stránky (kdy budou změněny, tak se zaregistrujte sem: