電解槽とは

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電解セルは、非自発的な酸化還元または酸化還元反応を駆動するために電気エネルギーが消費される電気化学デバイスです。これは、自発的な酸化還元反応から電気エネルギーを生成するガルバニ電池またはボルタ電池の反対です。

電解槽で起こる非自発的反応の多くは、化合物をその構成要素またはより単純な化学物質に分解することを伴います。このクラスの電動溶解または分解プロセスは電気分解と呼ばれ、電解セルの名前が付けられます。

電解セルは、電気エネルギーを化学ポテンシャルエネルギーに変換することを可能にします。それらはまた、多くの冶金プロセスの基礎を形成し、それなしでは今日の社会は存在しなかったでしょう.

電解セル対電気化学セル

電解セルに関連する概念は、電気化学セルの概念です。後者の概念については、小さな区分があります。一部の著者は、酸化還元反応が 2 つの電極間の電流に関連付けられているすべてのセルは、反応が自発的であるかどうかに関係なく、電気化学セルを表すと考えています。この観点から見ると、電解セルは特殊なタイプの電気化学セルでした。

一方、著者の別のグループは、電気化学セルを、自発的な酸化還元反応によって電流が発生するセルと定義しています。この場合、電解セルは電気化学セルの正反対になります。

このジレンマに関係なく、電解セルの特徴は、自発的ではないレドックス反応を伴うことであり、そのために外部ソースからのエネルギーの入力が必要であることは明らかです。

細胞、半細胞、半反応

その名前が示すように、すべての酸化還元反応には、酸化と還元という 2 つの別個の、しかし相互に関連するプロセスが含まれます。酸化は電子を失うことであり、還元は電子を獲得することです。正味の化学反応では、存在する原子がなければオーファン電子はあり得ないため、酸化と還元はお互いなしでは起こりません。ただし、両方のプロセスが同じサイトで発生することは必須ではありません。

この最後の事実は、電気化学セルの存在理由、さらには電解セルの存在理由を表しています。電解セルは、酸化還元反応の酸化プロセスと還元プロセスが物理的に分離されている実験装置にすぎませんが、導体を介して酸化が発生する場所から還元が発生する場所への電子の流れを可能にします。これらの半反応が起こる別々のコンパートメントは半電池と呼ばれ、各半反応が起こる特定の場所または表面は電極と呼ばれます。

すべての電気化学セルまたは電解セルは、電極の特性、電極のそれぞれで発生する特定の半反応、および各半セルに存在する溶液の組成と濃度によって定義されます。さらに、酸化還元反応の自発性は、いわゆる細胞電位(E cellで表される)によって決定される。

正の細胞電位は自発的な反応を意味しますが、負の場合、反応は自発的ではありません。したがって、電解セルは、機能するために電気エネルギーを必要とする負のセル電位を持つセルとして定義できます。

電解セルの操作

次の図は、一般的な一般的な電解セルのコンポーネントを示しています。

電解槽の操作

ご覧のとおり、セルは 2 つの電極 (アノードとカソード) で構成されており、電解質溶液に浸されており (電気を伝導し、電気回路を閉じます)、導電体によって接続されています。直流電源 (電気壁に接続されている灰色のボックス) を通過します。

この一般的な電解セルで発生する半反応は、画像の右側に示されています。ご覧のとおり、セル電位 (反応全体の電位) は負であるため、電子 (これも負) はアノードからカソードに流れる傾向がありません。

しかし、電源を入れると、細胞電位を打ち消すような電位差が発生し、導体中を電子が移動し、酸化還元反応が起こります。

定義上、電解セルでは、陽極は酸化が発生する電極であり、通常は左側に表示されます。代わりに、カソードは還元が発生する場所であり、右側に描かれているため、電子は常にアノードからカソードに流れます.

これを(スペイン語で)覚える簡単な方法は、「母音は母音と一緒に、子音は子音と一緒に行く」ということです。

Ánode , Oxidationleft は母音で始まるので、それらはすべて一緒になります。一方、CathodeReductionRightはすべて子音で始まるため、これらも一緒になります。

電解セルの用途

現代の私たちの生活になくてはならない存在と言える電解槽。これは、第一に、電解プロセスに完全に依存している多くの重要な産業によるものであり、第二に、それらが化学ポテンシャルエネルギーの形で電気エネルギーを貯蔵する能力の基礎を形成しているという事実によるものです. 電解セルの最も重要なアプリケーションのいくつかは次のとおりです。

金属の製造と精製

アルミニウムや銅など、人間にとって最も重要な金属のいくつかは、電解槽によって工業的に生産されています。また、アルカリ金属 (リチウム、ナトリウム、カリウム) などの活性金属や、マグネシウムなどの非常に重要なアルカリ土類金属を取得する数少ない方法の 1 つでもあります。

ハロゲン生産

フッ素や塩素などのハロゲンは、化学産業において非常に重要です。これらは、PVC やテフロンなどの多くの石油誘導体の製造に不可欠な試薬であり、毎日命を救う医薬品の無数の合成プロセスで使用されています。これらのハロゲンの主な発生源は、それらのイオンを含む塩の電気分解です。

エネルギー貯蔵

前述のように、電解セルは電気エネルギーを化学エネルギーの形で貯蔵することができます。これの最も具体的な例は、すべての充電式バッテリーの充電プロセスです。電解セルがなければ、私たちが毎日使用する大部分のモバイル デバイスに電力を供給するリチウム電池は充電できません。水の電気分解は、Blue Origin のBlue Shephardや Jeff Bezos の航空宇宙会社などのロケットのクリーン燃料として、または一部の企業の燃料電池の電気エネルギー源として使用できるガス状水素の生成の基礎です。電気自動車のモデル。

電解槽の例

水の電気分解

水の電気分解は、0.1 M 硫酸溶液に電流を流すことによって行われます。含まれる半反応と全体の反応は次のとおりです。

電気分解の例:水の電解セル

溶融塩化ナトリウムの電気分解

溶融塩化ナトリウムでは、イオンが電気を伝導する電荷キャリアとして機能します。これが、ナトリウムが工業レベルで生産される方法です。

電解例:塩化ナトリウム電解セル

参考文献

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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