Elektrolizo

Ĉi tiu artikolo rilatas al la kemia procezo. Por la kosmetika senharigo, vidu je Senharigo.

Elektrolizo estas kemia procezo por malkomponi elektroliton per kurento. Elektrolito estas solvita substanco, parte aŭ tute jonigita, kiu ebligas kondukton de elektro.

En elektrolizo, elektra kurento pasas tra jona substanco kiu estas aŭ fandita aŭ solvita en akvo, kaj kemiaj reakcioj okazas ĉe la elektrodoj. La negativa elektrodo nomiĝas la katodo kaj la pozitiva elektrodo nomiĝas la anodo.

Jona kombinaĵo (aŭ kovalente ligita, en la kazo de acidoj) solviĝas en taŭga solvanto, aŭ fandiĝas pro varmo, por ke ĝiaj jonoj moviĝu en la likvaĵo. Oni aplikas elektran kurenton inter paro de inertaj elektrodoj mergitaj en la likvaĵo. Ĉiu elektrodo allogas jonojn de la kontraŭa ŝargo. Tial pozitivaj jonoj (katjonoj) moviĝas al la katodo, dum negative ŝargitaj jonoj (anjonoj) moviĝas al la anodo. Elektra potenco provizas la energion bezonatan por apartigi la jonojn, kaj migrigi ilin al la respektiva elektrodo. Ĉe la elektrodoj, elektronojn aŭ sorbas aŭ malsorbas la jonoj, formante kunmetaĵon de dezirata elemento aŭ kombinaĵo.

Oksidigo de anjono povas okazi ĉe la anodo; kaj redukto de katjono ĉe la katodo. Ekzemple, eblas oksidigi katjonojn ĉe la anodo:

${\displaystyle \mathrm {Fe_{aq}^{2+}\longrightarrow \ Fe_{aq}^{3+}+\ e^{-}} }$ .

Ankaŭ eblas redukti anjonojn ĉe la katodo:

${\displaystyle \mathrm {Fe(CN)_{6}^{3-}+\ e^{-}\longrightarrow \ Fe(CN)_{6}^{4-}} }$ .

Neŭtraj molekuloj ankaŭ povas reakcii ĉe ajna elektrodo. Ekzemple:

${\displaystyle \mathrm {+\ 2e^{-}+\ 2H^{+}\longrightarrow \ } }$

La kvanto de elektra energio enmetenda egalas la ŝanĝon en libera energio de Gibbs de la reakcio plus la perdoj el la sistemo. Teorie la perdoj povas esti sensignifaj, do la maksimuma termodinamika efikeco egalas al la entalpio-ŝanĝo dividita de la libera energia ŝanĝo de la reakcio. Plejkaze la elektra enigaĵo superas la entalpi-ŝanĝon de la reakcio, do ioma energio perdiĝas kiel varmo. Kelkakaze, ekzemple en la elektrolizo de akvovaporo al hidrogeno kaj oksigeno je alta temperaturo, la kontraŭo veras. Varmo sorbiĝas el la ĉirkaŭaĵo, kaj la varmiga valoro de la hidrogeno produktata superas la elektran enigaĵon. (Meritas noti ke la maksimuma teoria efikeco de brulpilo estas la inverso de tiu de elektrolizo. Tiel maleblas krei sindaŭrigan maŝinon kombinante la du procezojn. Vidu pri la akva brulpilo de Stanley Meyers, kiel ekzemplo de tia provo.)

La jenaj teknologioj estas parencaj al elektrolizo:

• Elektrokemia pilo, inkluzive la hidrogenan brulpilon, uzas la inverson de ĉi tiu procezo.
• Ĝela elektroforezo estas elektrolizo en kiu la solvaĵo estas ĝelo. Oni uzas ĝin por apartigi substancojn, ekzemple filamentojn de DNA, bazitaj sur ilia elektra ŝargo.zair es choto

Unu grava utilo de elektrolizo de akvo estas produkti hidrogenon.

2H₂O_(l) → 2H_2(g) + O_2(g)

Oni proponas plivastan uzadon de hidrogeno kiel energiportanto por peli elektrajn motorojn kaj eksplodmotorojn. (Vidu hidrogenan civilizacion).

Oni povas observi la elektrolizon de akvo pasigante rektan kurenton el pilo aŭ alia fonto de elektro, tra akvo en taso. (En la praktiko, salakva solvaĵo pliigas la gradon de reakcio, kio faciligas la observadon). Uzante platenajn elektrodojn, gasa hidrogeno videblos bobeli ĉe la katodo, kaj oksigeno bobeli ĉe la anodo. Se oni uzas aliajn metalojn por la anodo, eble oksigeno reakcios kun la anodo anstataŭ produktiĝi kiel gaso. Ekzemple, uzante ferajn elektrodojn en elektrolita solvaĵo natria klorido, fera oksido formiĝos ĉe la anodo, kaj ĝi reakcios formante feran oksidon. Kiam oni produktas grandajn kvantojn da hidrogeno, tio povas signife malpurigi la elektrolitan ĉelon. Tial oni ne uzas feron por komerca elektrolizo.

La laŭenergia efikeco de akvoelektrolizo multe varias. La efikeco mezuras la proporcion de la elektra energio reale entenata en la hidrogeno. Ioma elektra energio konvertiĝas al varmo, senutila kromprodukto. Iuj raportoj citas efikecon inter 50% kaj 70%^[1]. Oni bazas tian efikecon sur la malalta varmiga valoro de hidrogeno. Ĝi estas la termoenergio eligita kiam hidrogeno bruliĝas. Tio ne reprezentas la tutan energion en la hidrogeno. La efikeco vere estas inter 80% kaj 94%^[2]. La teoria maksimumo konsideras la sumon de la energio sorbita de la hidrogeno kaj la oksigeno. Tiaj valoroj rilatas nur al la efikeco konverti elektran energion en kemian energion de hidrogeno. Ĝi ne inkluzivas la energion perdatan por generi la elektron. Ekzemple, ĉe nuklea elektrocentralo kiu konvertas varmon de nukleaj reakcioj en hidrogenon per elektrolizo, la suma efikeco estas 25%-40%^[3]

Proksimume kvar elcentoj de la gasa hidrogeno tutmonde produktata kreiĝas per elektrolizo, kaj kutime uzata surloke. Oni uzas hidrogenon por produkti amoniakon por sterko per la procezo de Haber, kaj konvertante pezajn frakciojn de nafto al malpli pezaj per hidrokrakigado.

Sciencistoj kiuj pioniris elektrolizon:

• Lavoisier
• Humphry Davy
• Michael Faraday
• Paul Héroult
• Svante Arrhenius
• Adolph Wilhelm Hermann Kolbe
• William Nicholson
• Joseph Louis Gay-Lussac
• Alexander von Humboldt

En modernaj tempoj, Fleischmann kaj Pons elektrolizis pezakvon en sia fama Fleischmann-Pons eksperimento, rezultigante anomalian varmogeneradon kaj la debatindan pretendon pri malvarma nuklea fuzio.

En 1832 Michael Faraday raportis ke la kvanto da elemento apartigita per kurento pasanta tra fandita aŭ solvita salo estas proporcia al la kvanto da elektraj ŝargoj "q" pasita tra la cirkvito. Tio fariĝis la bazo de la unua leĝo pri elektrolizo: ${\displaystyle m=k\cdot q\ .}$

Faraday ankaŭ malkovris ke la maso de la rezulta apartigita elemento ankaŭ estas proporcia al la atoma maso de la elemento dividita de taŭga entjero. Tio estis bona pruvo, ke individuaj partikloj de materio ekzistas kiel partoj de la atomoj de elementoj.

• Produktado de aluminio, litio, natrio, kalio
• Produktado de hidrogeno por hidrogenaj aŭtoj kaj brulpiloj; alttemperatura elektrolizo ankaŭ uziĝas por tio
• Kulombometriaj teknikoj estas uzeblaj por kalkuli la kvanton de materio transformita dum elektrolizo, mezurante la kvanton de elektro uzita por fari la transformon
• Produktado de kloro kaj natria hidroksido
• Produktado de natria klorato kaj kalia klorato
• Produktado de perfluoraj organikaj kombinaĵoj, ekzemple trifluoraceta acido

Elektrolizo havas multajn aliajn uzojn:

• Elektrometalurgio estas procezo por redukti metalojn de metalaj kombinaĵoj por liveri puran metalon per elektrolizo. Ekzemple, natria hidroksido en fanda formo apartiĝas per elektrolizo al natrio kaj oksigeno. Ambaŭ produktoj havas gravajn industriajn uzojn. (Akvo formiĝas samtempe).
• Anodigado estas elektroliza procezo kiu igas la surfacon de metalo rezistema al korodo. Ekzemple, ĉi tiu procezo malhelpas ke ŝipojn korodu oksigeno en la akvo. La procezo ankaŭ uzeblas por dekoracii surfacojn.
• Pilo funkcias per la inversa procezo al elektrolizo. Humphry Davy malkovris ke litio agas kiel elektrolito kaj liveras elektran energion.
• Produkti oksigenon por spacveturiloj kaj nukleaj submarŝipoj.
• Elektre metalizi utilas por fortigi per tavoloj de malsamaj metaloj. Multaj industrioj utiligas ĝin por funkciaj kaj dekoraciaj celoj, ekzemple moneroj kaj ŝeloj de aŭtoj.
• Produkti hidrogenon por brulaĵo, uzante malmultekostan fonton de elektro.
• Elektrolite gravuri markon aŭ bildon sur metalan surfacon, ekzemple de iloj aŭ tranĉiloj.

Oni ankaŭ uzas elektrolizon por purigi kaj konservi malnovajn artobjektojn. Ĉar la procezo apartigas nemetalajn partiklojn disde metalaj, ĝi tre utilas por purigi malnovajn monerojn kaj eĉ pli grandajn objektojn.

• Konstanto de Faraday
• Leĝo de Faraday
• Elektrolita pilo