Pređi na sadržaj

Elektroliza

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Školski laboratorijski aparat za elektrolizu

Elektroliza je razlaganje hemijskog jedinjenja pod uticajem električne struje.[1] Proces ne treba mešati sa elektrolitičkom disocijacijom.

Kratak pregled

[uredi | uredi izvor]

Kada se jonsko jedinjenje rastvori u adekvatnom rastvaraču, ili istopi toplotom tako da su joni dostupni u vodi. Električna struja se primeni kroz par inertnih elektroda uronjenih u tečnost. Negativno naelektrisana elektroda se naziva katoda a pozitivno naelektrisana anoda. Svaka elektroda privlači jone suprotnog naelektrisanja. Pozitivno naelektrisani joni (katjoni) kreću se ka katodi, dok negativno naelektrisani joni (anjoni) kreću se ka anodi. Energija potrebna da se jonska veza raskine i prouzrokuje njihovo skupljanje kod odgovarajućih elektroda, omogućuje električna struja. Kod elektroda, elektroni se apsorbuju i dodaju jonima, formirajući željeni element ili jedinjenje.

U elektrolizi, anoda je pozitivna elektroda, što znači da ima manjak elektrona; jedinjenja koja dolaze u kontakt sa anodom otpuštaju elektrone(oksiduju se). Katoda je negativna elektroda, što znači da ima višak elektrona. Jedinjenja koja dolaze u kontakt sa katodom teže da prime elektrone (redukuju se).

Količina električne energije koja mora biti dodata jednaka je promeni u Gibsovoj slobodnoj energiji u reakciji plus gubitak u sistemu. Gubici mogu(u teoriji) biti blizu nule, pa maksimalni termodinamički dobitak je jednak promeni termodinamičkog potencijala podeljenog sa slobodnom energijom. U većini slučajeva električna energija je veća od promene termodinamičkog potencijala, pa se nešto energije oslobodi u vidu toplote. U nekim slučajevima, na primer u elektrolizi vodene pare u vodonik i kiseonik na visokoj temperaturi, tačno je obrnuto. Toplota se apsorbuje od okoline, i toplotna energija vodonika je veća od električne energije. U ovom slučaju se misli da je koeficijent efikasnosti veći od 100%. Onda je moguće napraviti mašinu sa perpetualnim pokretima (Perpetuum mobile prve klase je još bolji od ove mašine, on stvara energiju da pritom ne troši ništa, a to je nemoguće).

Jači protok struje (u amperima) podrazumeva veći protok elektrona u istom intervalu vremena. To znači da se katoda brže redukuje a anoda brže oksiduje. To je direktno proporcionalo broju molova dobijenog proizvoda. Jačina struje koja prolazi zavisi od električne provodljivosti elektroda i elektrolita, ali jačina struje takođe zavisi od toga koliko struje sam izvor može stvoriti. Proces elektrolize sa samo dva ili tri reaktanta može biti veoma kompleksan. U većini slučajeva je najbolje potražiti literaturu i pogledati koja jačina struje je najpovoljnija za željeni proces. Na primer kod nekih metala može doći do različitih tipova galvanizacije(to je proces presvlačenja jednog metala u drugi, da ne bi na primer korodirao), koristeći struju većeg intenziteta lako se dobija loš galvanizovan metal, a koristeći slabiju mnogo bolji.

Veća razlika u električnim potencijalima bi prouzrokovala veću razliku u potencijalima da bi omogućila elektrolitičkoj ćeliji da oksiduje i redukuje teško raskidljive komponente. To može drastično uticati na formu(kako hemijsku tako i fizičku) produkta u datom eksperimentu. Uopšteno i jačina struje(u amperima) i napon(u voltima) utiče na to šta će se stvoriti u ćeliji.

Sledeće tehnologije su povezane sa elektrolizom:

  • Elektrohemijska ćelija, uključujući vodonikovu ćeliju.
  • Elektroforeza je elektroliza gde je rastvarač gel:koristi se da razdvoji supstance, kao što su DNK čestice, bazirano na njihovom naelektrisanju.

Elektroliza vode

[uredi | uredi izvor]

Hofmanov aparat za elektrolizu vode

Važna primena elektrolize vode je dobijanje vodonika

2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g); E0 = +1.229 V

Ovaj postupak je predložen za promenu društva ka upotrebi vodonika kao glavnog goriva za napajanje električnih motora i motora sa unutrašnjim sagorevanjem.

Elektroliza vode može se posmatrati pomoću protoka DS (jednosmerne) struje koju stvara baterija ili drugi DS izvor u čaši vode (u praksi se koristi slana voda jer povećava intenzitet reakcije i pomoću nje se ta reakcija lakše prati). Koristeći elektrode od platine, vodonikov gas bi se video da isparava kod katode, a kiseonik kod anode. Ako bi se koristili drugi metali kiseonik bi reagovao sa anodom umesto da se oslobodi. Na primer koristeći elektrode od gvožđa u rastvoru natrijum hlorida, gvožđe oksid će se nagraditi kod anode koji će da reaguje i stvoriće se gvožđe hidroksid. Kada se stvore velike količine vodonika elektrolitička ćelija se zagađuje i zbog toga se gvožđe ne koristi u komercijalnoj elektrolizi.

Efikasnost energije koja se dobija elektrolizom vode veoma varira. Neki izveštaji tvrde da je efikasnost između 50%-70%. Drugi izveštaji tvrde da je teorijski maksimalna efikasnost između 80%-94%. Teorijski maksimum podrazumeva totalnu količinu energije koju su vodonik i kiseonik apsorbovali. Ove vrednosti se odnose na konvertovanje električne energije u vodonikovu hemijsku energiju. Energija koja je izgubljena tokom stvaranja elektriciteta se ne računa. Na primer, efikasnost elektrane koja konvertuje toplotu nuklearne reakcije u vodonik pomoću elektrolize je 25%-50%.

Oko četiri procenta vodonika se u svetu dobija elektrolizom. Vodonik se koristi za pravljenje amonijaka za đubrivo, i konvertovanje teških naftnih resursa u lakše frakcije.

Tipično u industriji, napon veći od 17 kV može da eliminiše potrebu da elektrode budu fizički blizu, i da se jonski sastojci, kao što je so, ne moraju dodavati.

Istorija

[uredi | uredi izvor]

Početkom devetnaestog veka, Vilijam Nikolson i Entoni Karlajl nastojali su da produže Voltine eksperimente. Oni su pričvrstili dve žice na suprotnim stranama naponske gomile i stavili druge krajeve u cev napunjenu vodom. Primetili su da kada su žice spojene da svaka žica proizvodi mehuriće. Jedna vrsta je bila vodonik, druga je bio kiseonik.[2]

Godine 1785, holandski naučnik po imenu Martin van Marum stvorio je elektrostatički generator koji je koristio da redukuje kalaj, cink i antimon iz njihovih soli koristeći proces kasnije poznat kao elektroliza. Iako je on nesvesno proizveo elektrolizu, tek 1800. godine Vilijam Nikolson i Entoni Karlajl su otkrili kako elektroliza funkcioniše.[3]

Godine 1791, Luiđi Galvani je eksperimentisao sa žabljim nogama. Tvrdio je da je stavljanje životinjskog mišića između dva različita metalna lima rezultiralo strujom. Odgovarajući na ove tvrdnje, Alesandro Volta je sproveo sopstvene testove.[4][5] Ovo bi dalo uvid u ideje Hamfrija Dejvija o elektrolizi. Tokom preliminarnih eksperimenata, Hamfri Dejvi je pretpostavio da kada se dva elementa kombinuju i formiraju jedinjenje, električna energija se oslobađa. Hamfri Dejvi je nastavio da kreira tabele razlaganja iz svojih preliminarnih eksperimenata na elektrolizi. Tabele razlaganja su dale uvid u energije potrebne za razlaganje određenih jedinjenja.[6]

Godine 1817, Johan Avgust Arfvedson je utvrdio da postoji još jedan element, litijum, u nekim od njegovih uzoraka; međutim, nije mogao da izoluje komponentu. Tek 1821. godine, Vilijam Tomas Brand je koristio elektrolizu da ga izdvoji. Dve godine kasnije, on je pojednostavio proces koristeći litijum hlorid i kalijum hlorid sa elektrolizom za proizvodnju litijuma i litijum hidroksida.[7][8]

Tokom kasnijih godina istraživanja Hamfrija Dejvija, Majkl Faradej je postao njegov pomoćnik. Dok je proučavao proces elektrolize pod Hamfrijem Dejvijem, Majkl Faradej je otkrio dva zakona elektrolize.[5] U vreme Maksvela i Faradaja, pojavila se zabrinutost za elektropozitivne i elektronegativne aktivnosti.[9] U novembru 1875, Paul Emil Lekok de Buabodran je otkrio galijum pomoću elektrolize galijum hidroksida, davijujući 3,4 mg galijuma. Sledećeg decembra predstavio je svoje otkriće galijuma Akademiji nauka u Parizu.[10]

Dana 26. juna 1886. godine, Ferdinand Frederik Henri Mojsan se razradio proces ivođenja elektrolize na anhidrovanom fluorovodoniku da bi stvorio gasoviti fluor kao čist element. Pre nego što je koristio fluorovodonik, Henri Mojsan je koristio soli fluorida za elektrolizu. Tako je 28. juna 1886. izveo svoj eksperiment pred Akademijom nauka da pokaže svoje otkriće novog elementa fluora.[11] Dok su pokušavali da pronađu elementarni fluor putem elektrolize fluoridnih soli, mnogi hemičari su stradali, uključujući Paulin Luje i Žeroma Niklesa.[12]

Godine 1886, Šarl Martin Hol iz Amerike i Pol Ero iz Francuske su podneli zahteve za američke patente za elektrolizu aluminijuma, pri čemu je Ero podneo svoj u maju, a Hol u julu.[13] Hol je uspeo da dobije svoj patent dokazujući kroz pisma svom bratu i porodici dokaze da je njegov metod otkriven pre nego što je podnet francuski patent.[14] Ovo je postalo poznato kao Hol–Erov proces koji je bio koristan za mnoge industrije, jer je cena aluminijuma tada pala sa četiri dolara na trideset centi po funti.[15]

Naučnici

[uredi | uredi izvor]

Naučni pioniri elektrolize su:

Elektroliza teške vode u poznatom eksperimentu u kom se javljaju anomalije u stvaranju toplote i kontroverzna tvrdnja hladne fuzije.

Prvi zakon elektrolize

[uredi | uredi izvor]

U 1832. godini, Majkl Faradej je otkrio da je količina elemenata razdvojena pomoću jednosmerne struje proporcionalna količini električne struje koja prolazi kroz kolo.[16] Ova tvrdnja je postala osnova prvog zakona elektrolize

Drugi zakon elektrolize

[uredi | uredi izvor]

Faradej je takođe otkrio da su mase razdvojenih elemenata direktno proporcionalne atomskim masama elemenata kada se primeni odgovarajući celobrojni delilac. To je pružilo snažan dokaz da delići elektriciteta zaista postoje kao delovi atoma elemenata.

Industrijske primene

[uredi | uredi izvor]

Elektroliza ima više primena:

  1. Elektrometalurgija je proces redukcije metala od drugih jedinjenja da bi se dobio čist metal. Na primer: Natrijum Hidroksid se u ovoj formi deli pomoću elektrolize na natrijum i vodonik od kojih oba imaju važnu primenu.
  2. Električna rafinacija se koristi da se metal očisti od nepoželjnih primesa elektrolizom. Kao na primer u jedinjenju bakra i nekih primesa. Pri elektrolizi bakar se formira oko katode a nečistoće oko anode.
  3. Elektrolizovana voda je jedna od najčistijih voda koja se koristi u zdravstvu i stomatologiji.
  4. Disanje u svemiru je još jedna primena elektrolize. Kiseonik koji astronauti udišu se stvara elektrolizom vode, pomoću sunčeve svetlosti, energije.
  5. Naučnici su već spremili plan za buduću primenu elektrolize. Veruje se da bi vodonik mogao da bude gorivo budućnosti (vodonik potpuno sagoreva i ne oslobađaju se nikakvi štetni gasovi). Proces elektrolize vode se može koristiti da bi se dobio vodonik. Sve što je potrebno je malo jeftine struje da bi se otpočeo proces.

Reference

[uredi | uredi izvor]
  1. ^ „Elektroliza”. Enciklopedija. Pristupljeno 21. 1. 2019. 
  2. ^ Fabbri, Emiliana; Schmidt, Thomas J. (5. 10. 2018). „Oxygen Evolution Reaction—The Enigma in Water Electrolysis”. ACS Catalysis (na jeziku: engleski). 8 (10): 9765—9774. doi:10.1021/acscatal.8b02712 Slobodan pristup. 
  3. ^ Ashworth, William (20. 3. 2015). „Martinus van Marum - Scientist of the Day”. Linda Hall Library. 
  4. ^ Ihde, Aaron J. (1964). The Development of Modern Chemistry. Harper & Row. str. 125–127. 
  5. ^ a b „The History of Electrochemistry: From Volta to Edison”. ECS (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2019-10-11. 
  6. ^ Thorpe, Thomas (1896). Humphry Davy, Poet and Philosopher. New York: Macmillan & Co., Limited. 
  7. ^ „Lithium - periodicstats.com”. www.periodicstats.com. Arhivirano iz originala 15. 4. 2021. g. 
  8. ^ Helmenstine, Todd (11. 1. 2018). „Today in Science History - January 12 - Johan August Arfwedson and Lithium”. Science Notes and Projects. 
  9. ^ Ede, Andrew (2017). A History of Science in Society (3rd izd.). Toronto, Canada: University of Toronto Press. str. 251. ISBN 978-1-4426-3499-2. 
  10. ^ Marshall, James and Virginia. „Rediscovery of the Elements – Gallium” (PDF). University of North Texas. Arhivirano (PDF) iz originala 2022-10-09. g. 
  11. ^ Wisniak, Jaime (2018-08-26). „Henri Moissan: The discoverer of fluorine”. Educación Química. 13 (4): 267. ISSN 1870-8404. S2CID 92299077. doi:10.22201/fq.18708404e.2002.4.66285. 
  12. ^ Marshall, James and Virginia. „Rediscovery of the Elements- Fluorine and Henri Moissan” (PDF). University of North Texas. Arhivirano (PDF) iz originala 2022-10-09. g. 
  13. ^ Beck, Theodore R. (21. 8. 2015). „ECS Classics: Hall and Héroult and the Discovery of Aluminum Electrolysis”. ECS. Interface. 
  14. ^ Hall Process Production and Commercialization of Aluminum - National Historic Chemical Landmark (na jeziku: engleski). Oberlin, Ohio: American Chemical Society. 1997. 
  15. ^ „Paul Héroult and Charles M. Hall”. Science History Institute (na jeziku: engleski). 1. 6. 2016. 
  16. ^ „Faradejevi zakoni elektrolize”. Hemijski rečnik. Pristupljeno 21. 1. 2019. 

Literatura

[uredi | uredi izvor]

Spoljašnje veze

[uredi | uredi izvor]
Elektroliza na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Електролиза&oldid=27982387”