電解質中の電流

電解質中の電流は常に物質の移動に関係しています。たとえば、金属や半導体では、これらの媒体では電子と正孔が電流キャリアであるため、電流がそれらを通過しても物質は移動しませんが、電解質ではそれらは移動します。これは、電解質中では、物質の正および負に帯電したイオンが、電子や正孔ではなく、自由電荷のキャリアとして機能するためです。

多くの金属の溶融化合物および一部の固体は電解質に属します。しかし、技術的に広く使用されているこのタイプの導体の主な代表は、無機酸、塩基および塩の水溶液です。

電流が電解質媒体を通過すると、物質が電極上に放出されます。この現象はと呼ばれます 電解… 電流が電解質を通過すると、物質の正と負に帯電したイオンが同時に反対方向に移動します。

負に帯電したイオン（アニオン）は電流源の正極（アノード）に流れ込み、正に帯電したイオン（カチオン）はその負極（カソード）に流れ込みます。

酸、塩基、および塩の水溶液中のイオン源は中性分子であり、その一部は加えられた電気力の作用により分裂します。この中性分子が分裂する現象を電解といいます。たとえば、塩化銅 CuCl2 は水溶液中で解離すると、塩化物イオン (マイナスに帯電) と銅 (プラスに帯電) に分解します。

電極が電流源に接続されると、塩素アニオンがアノード (正極) に移動し、銅カチオンがカソード (負極) に移動するため、電場が溶液または溶融中のイオンに作用し始めます。

負極に到達すると、正に帯電した銅イオンは陰極の過剰な電子によって中和され、中性原子となって陰極に堆積します。正極に到達すると、負に帯電した塩素イオンは、アノードの正電荷との相互作用中に電子を 1 つずつ供与します。この場合、形成された中性塩素原子がペアで結合して Cl2 分子を形成し、塩素がアノードで気泡の形で放出されます。

多くの場合、電気分解プロセスには、電極上で放出された分解生成物が溶媒または直接電極材料と相互作用するときの解離生成物の相互作用 (これは二次反応と呼ばれます) が伴います。たとえば、硫酸銅の水溶液 (硫酸銅 - CuSO4) の電気分解を考えてみましょう。この例では、電極は銅で作られます。

硫酸銅分子は解離して、正に帯電した銅イオン Cu + と負に帯電した硫酸イオン SO4- を形成します。中性の銅原子が固体堆積物として陰極に堆積します。このようにして、化学的に純粋な銅が得られます。

硫酸イオンは 2 個の電子を正極に供与して中性ラジカル SO4 となり、直ちに銅アノードと反応します (二次アノード反応)。アノードでの反応生成物は硫酸銅であり、溶液になります。

硫酸銅水溶液に電流を流すと、陽極の銅が徐々に溶けて陰極に銅が析出するだけで、硫酸銅水溶液の濃度は変化しないことが分かりました。

1833 年、英国の物理学者マイケル ファラデーは、実験研究の過程で電気分解の法則を確立しました。現在、この法則は彼の名にちなんで付けられています。

ファラデーの法則により、電気分解中に電極上に放出される一次生成物の量を決定できます。この法則は、「電気分解中に電極上に放出される物質の質量 m は、電解質を通過した電荷 Q に正比例する」と述べています。

この式の比例係数 k は電気化学当量と呼ばれます。

電気分解中に電極上に放出される物質の質量は、この電極に到達したすべてのイオンの総質量に等しくなります。

この式にはイオンの電荷 q0 と質量 m0、電解質を通過した電荷 Q が含まれており、N は電荷 Q が電解質を通過したときに電極に到達したイオンの数です。したがって、イオン m0 の質量とその電荷 q0 の比は、k の電気化学当量と呼ばれます。

イオンの電荷は数値的には物質の価数と素電荷の積に等しいため、化学当量は次の形式で表すことができます。

ここで、Na はアボガドロ定数、M は物質のモル質量、F はファラデー定数です。

実際、ファラデー定数は、電極上で 1 モルの一価物質を遊離させるために電解質を通過しなければならない電荷の量として定義できます。ファラデーの電気分解の法則は次の形式になります。

電気分解の現象は、現代の生産において広く使用されています。例えば、アルミニウム、銅、水素、二酸化マンガン、過酸化水素は電気分解によって工業的に製造されています。多くの金属は鉱石から抽出され、電気分解 (電気精製および電気抽出) によって処理されます。

また、電気分解のおかげで、 化学電流源… 電気分解は廃水処理 (電気抽出、電気凝固、電気浮遊選鉱) に使用されます。電気分解により多くの物質（金属、水素、塩素など）が得られます 電気メッキと電気メッキ用。

以下も参照してください。水の電気分解による水素製造技術と設備