3.2. Электрохимическая система (ячейка)

Для осуществления электролиза необходима электрохимическая система (ячейка) (рис. 9), которая состоит из следующих элементов:

1. раствора или расплава электролита-проводника второго рода, в котором реагирующие вещества диссоциированы на ионы;

2. двух проводников первого рода, погруженных в электролит-электродов;

3. электронного проводника (первого рода), соединяющего электроды между собой либо с внешним источником тока (внешняя цепь).

Рис. 9. Электролизер

Электролиз – процесс химических превращений веществ в результате поглощения системой электрической энергии. Химические процессы совершаются при этом на межфазовых границах электрод-электролит электрохимической ячейки, электроды которой подключены к внешнему источнику постоянного тока-выпрямителя, аккумулятора, динамомашины и т.п. В том случае, если химическая реакция в ячейке будет протекать с выделением электрической энергии во внешнюю цепь, ячейка называется химическим источником электрической энергии или гальваническим элементом.

Если химический процесс сопровождается поглощением электрической энергии от внешнего источника тока, ячейку называют электрической ванной или электролизером. При электролизе катод заряжен отрицательно, а анод – положительно, т.е. распределение знаков заряда электродов противоположно тому, которое имеется при работе гальванического элемента. Причина этого заключается в том, что процессы, протекающие при электролизе, в принципе обратны процессам, идущим при работе гальванического элемента. При электролизе химическая реакция осуществляется за счет энергии электрического тока, подводимой извне, в то время как при работе гальванического элемента энергия самопроизвольно протекающей в нем химической реакции превращается в электрическую энергию.

Электрохимическая цепь электролизера в общем случае изображается схемой

(–) M1 | M1^z+ ¦¦ M2^z+ | M2 (+).

(3.1)

Когда цепь разомкнута, т.е. электролизер не подключен к внешнему источнику энергии, и на межфазовых границах M|M^z+установилось равновесие, то каждый электрод характеризуется равновесным потенциалом соответственнои, которые можно вычислить по уравнению Нернста

,

(3.2)

где φ⁰– величина стандартного электродного потенциала, В; z – число отданных или приобретенных электродов (заряд иона металла);C– концентрация катионов металла, г-ион/л.

При электролизе к отрицательному электроду электролизера поступают электроны от внешнего источника тока и на межфазовой границе электрод-электролит нарушается электрохимическое равновесие, происходит восстановление ионов металла

M₁^z+ + zē → M₁

или других компонентов электролита. Отрицательный электрод электролизера служит, таким образом, катодом.

На положительном электроде действующего электролизера происходит окисление металла

M₂ – zē → M₂^z+

или каких-либо ионов или молекул, содержащихся в электролите. Положительный электрод электролизера, на котором совершается процесс окисления, называют анодом.

Разность равновесных потенциалов анода и катода электролизера представляет электродвижущую силу (ЭДС) разложения вещества.

.

(3.3)