Az áram vegyi hatásai

2015.11.11 18:16

Folyadékok vezetése 

 

A folyadékok közül a higanyban és a megolvadt fémekben a szabad elektronok áramlása jelenti a villamos áramot. 

Áramvezetésre azonban sokkal gyakoribb az oldott vegyületek (savak, lúgok és sók) felhasználása, amelyekben nem 

elektronok a töltéshordozók. 

 

 

 

A disszociáció és az elektrolit 

 

Sav, lúg vagy só feloldásakor a molekulák az oldatban ionjaikra szakadnak szét, a bomlási folyamatot disszociációnak, az ionokat tartalmazó oldatot pedig elektrolitnak nevezzük. Például a konyhasó (NaCl) feloldásakor a molekulák egyszeres elemi töltésű pozitív nátrium ( Na+  ) és negatív klór (Cl- ) ionra bomlanak fel.  

Ha bonyolultabb vegyület disszociál, akkor az ionok több atomból (ún. atomcsoportból) is állhatnak, ilyen például a rézszulfát ( CuSO4) bomlásakor a kétszeres elemi töltéső pozitív réz (Cu2+) mellett keletkező negatív szulfát ( SO42-ion. Az ionokat tartalmazó elektrolit azonban semleges, mert benne a pozitív és negatív töltések mennyisége azonos.  Az elektrolitban mind a pozitív, mind a negatív ionok elmozdulásra képesek, tehát ezekben a folyadékokban nem  elektronok, hanem ionok a töltéshordozók. Az elektrolitban lévő pozitív töltésű elektródát anódnak, a negatív töltésű elektródát pedig katódnak nevezzük. 

(anód – görög szó, felemelkedést jelent, itt emelkednek fel az elektronok az elektrolitból és jutnak be az áramkörbe, a katód szó leszállást jelent, itt jutnak le az elektronok az áramkörből az elektrolitba.

                                                                                                                                        

 

Disszociáció  - Ionok mozgása 

 

A hőmérséklet és az ellenállás kapcsolata 

 

Az oldatok általában jó villamos vezetők, a rajtuk keresztül folyó áram erősségét az ionok száma és sebessége határozza meg. Az elektrolitban a feloldott anyag fajtája, mennyisége (az oldat koncentrációja) és az oldat hőmérséklete szabja meg az ionok számát. Minél magasabb a hőmérséklet, annál több molekula disszociál, vagyis a szabad töltéshordozók száma a hőmérséklettel arányosan növekszik, ez a jelenség az oldat ellenállását csökkenti.

Az ionok sebessége az oldatban sokkal kisebb, mint az elektronoké a fémekben, mert a tömegük és a méretük is több ezerszer nagyobb, ezért többször ütköznek az oldat atomjaival vagy molekuláival. A hőmérséklet emelkedésekor nő az ütközések száma, ennek következtében az oldat ellenállása is növekszik. 

A töltéshordozók számának növekedése tehát csökkenti, az áramlási sebességük csökkenése növeli az elektrolit ellenállását. Az ionok száma azonban nagyobb mértékben nő, mint ahogy a sebességük csökken, ezért - a fémekkel ellentétben - a folyadékok ellenállása a hőmérséklet növekedésekor csökken. 

 

Anyagok kiválasztása 

 

Elektrolízisnek nevezzük a vegyületek molekuláinak villamos árammal történő felbontását és a keletkezett elemek kiválasztását. 

Ha áramot vezetünk keresztül az elektroliton, abban vegyi reakciók játszódnak le. A folyamat eredménye függ attól, hogy milyen az oldott anyag, az oldószer és az elektróda anyaga. 

Az ábra a rézszulfát (CuSO  ) vizes oldatának elektrolízisét mutatja, olyan elektródákat használva, amelyek nem vesznek részt a vegyi folyamatban. A disszociáció során az oldatban kialakulnak a réz (Cu2+  ) és a szulfát (SO42−) ionok, ezzel létrejön az áramvezetésre alkalmas elektrolit. Ha az elektródákra feszültséget kapcsolunk, akkor a réz-szulfát felbomlik, mert a negatív ionok (SO42-) a pozitív elektróda, az anód felé, a pozitív ionok (Cu2+ ) a negatív elektróda, a katód felé áramlanak. A szulfát ionból áramlása közben kénsav ( H2SO4) képzıdik a víz ( H2O) hidrogénjével, amelynek megmaradt oxigénje az anódon felszabadul. A réz ion átalakulása a katódon történik meg, amelyen két elektron felvétele közben rézbevonatként kiválik. Ha vörösréz elektródákat használunk, akkor nem válik ki oxigén, mert a szulfát ion az anódról egy réz iont visz az oldatba. Ezáltal az anód egyre vékonyabb, a katód pedig egyre vastagabb lesz, mert ott ebben az esetben is kiválik a réz. Ebben a folyamatban az elektrolit összetétele nem változik meg. 

 

                                                                                                      

Faraday törvénye 

 

Faraday mérésekkel kimutatta, hogy az anyagok elektrolízissel történő kiválasztásakor az elektródákon kivált anyag tömege, annak anyagán kívül az áramerősségtől és az eltelt időtől függ (tehát az átáramlott töltésektől függ), és ezekkel egyenesen arányos: m=c ·I ·t A gyakorlatban az anyagok kiválasztása villamos energia befektetésével elektrolizáló kádakban történik. 

 

A vegyi hatás 

 

Az áram vegyi hatása alatt azokat a fizikai és kémiai jelenségeket, vegyi változásokat értjük, amelyek a folyadékokban létrehozott villamos áram hatására jönnek létre. 

Az elektrolízist elsősorban fémek szennyeződésektől mentes előállítására alkalmazzák. Így nyerik ki vegyületeiből a villamos iparban széleskörűen alkalmazott nagy tisztaságú (99,9 - 99,99 %-os) rezet és az alumíniumot is. 

 

Galvanizálás 

 

Emellett elektrolízis útján fémbevonatok is készíthetők, amit galvanizálásnak nevezünk. Galvanizálásnál a pozitív elektródát (az anódot) az a fém alkotja, amelyből bevonatot akarnak készíteni, az elektrolit pedig ennek a fémnek a sója (pl.: a réz elektróda és réz-szulfát oldat). A bevonandó tárgyat ilyenkor mindig negatív elektródaként (katódként) kell bekötni. 

A gyakorlatban a vasat nikkel- vagy krómréteggel, a rezet ezüst- vagy aranyréteggel szokták bevonni. Ez a bevonat a fémet szebbé és a környezeti hatásokkal szemben ellenállóbbá teszi. 

 

Galvanoplasztika 

 

Galvanizálással csak vezető anyagok felületén tudunk bevonatot létrehozni, hiszen a bevonandó tárgyat katódként kell bekötni. Ha nem vezető anyagokat (pl. műanyagot) akarunk bevonni, akkor először a felületüket kell vezetővé tenni  vezető lakkal, grafittal vagy fémgőzöléssel. Ezt az eljárást galvanoplasztikának nevezzük, mert az elektrolízissel felvitt réteg felveszi a tárgy alakját. 

 

Eloxálás 

 

Az elektrolízis egy villamos szempontból szintén jelentős felhasználása az eloxálás. Ennek során az alumínium felületén  keletkező oxidréteget Al2O3 mesterségesen megvastagítják 10…20 µm-re, amely megvédi az alumíniumot a további oxidációtól, kemény, jól színezhető és jól szigetelő réteget biztosít. 

Így készítik az elektrolit kondenzátor pozitív fegyverzetét, és a műszerek előlapjait. Eloxáláskor az alumíniumot negatív 

elektródaként kell bekötni, mert az oxigén ott szabadul fel. 

 

Depolarizátor 

 

Ha fogyasztóval terheljük az elemet, a pozitív elektródát egyre jobban elszigeteli az ott kiválasztódó hidrogén, ami csökkenti az elem feszültségét. A hidrogént ezért valamilyen módon el kell távolítani (pl. vízzé kell oxidálni, vagy a  pozitív elektródát mozgatni kell). Ezt a depolarizátor végzi el, amely a galvánelemek fontos része. 

 

Galvánelemek 

 

A galvánelemekben vegyi oldódás következtében lép fel a töltésszétválasztás: a vegyi energia közvetlenül villamos 

energiává alakul. A vegyi reakció itt megfordíthatatlan (irreverzibilis), mert az egyik elektróda elfogy és az elektrolit 

összetétele is megváltozik. 

 

Galvánelemek belső ellenállása 

 

Galvánelem belső ellenállása, legnagyobb terhelő árama: Az elemek felépítésétől, az elektródák méretétől, az elektrolit töménységétől és hőmérsékletétől függ. A nagymérető, nagy elektródafelületű elemek belső ellenállása 

kisebb, terhelhetősége nagyobb, mint a miniatűr elemeké. 

 

Galvánelem kapacitása:

 Az elem által a lemerülésig szolgáltatott teljes töltésmennyiség As-ban. Szintén az elektródák anyagától és méretétől függ. 

 

 

Galvánelem névleges feszültsége: A pozitív és a negatív elektródák anyagának az elektrokémiai feszültségsorban feltüntetett feszültség-különbsége határozza meg. Nem állandó érték, terhelés közben kezdetben lassan, később gyorsan csökken. Függ még kis mértékben az anyagok tisztaságától, a megmunkálás módjától, az elektrolit anyagától,  koncentrációjától és hőmérsékletétől. 

Galvánelem rajzjele: A villamos kapcsolási rajzokon a galvánelemeket nem a generátor általános jelével, hanem egy rövidebb és egy hosszabb vonallal jelölik, ahol a hosszabb vonal jelöli a pozitív pólust. 

 

Elemek elektrokémiai feszültségsora 

 

Az elemek elektrokémiai feszültségsora a 0 V-os potenciálúnak elfogadott hidrogénhez viszonyítottan van összeállítva. A hidrogéntől gyorsabban oldódó, vagyis aktívabb anyag negatív, a lassabban oldódó pozitív potenciálú lesz.