Elektroliza to jeden z procesów elektrochemicznych, dzięki któremu można wywołać przemiany chemiczne przy użyciu energii elektrycznej. Nie dotyczy to wszystkich przemian - do przeprowadzenia elektrolizy niezbędne są swobodnie poruszające się jony. Można je znaleźć w stopionym elektrolicie lub w roztworze elektrolitu. Ważne jest, żeby rozpuszczalnik takiego roztworu był polarny (najczęściej korzysta się z wody).

Energia elektryczna wykorzystywana w procesie elektrolizy dostarczana jest w postaci prądu stałego. Jest on czerpany z źródła zewnętrznego (np. z prądnicy czy z akumulatora). Prąd doprowadza się do elektrolitu przez elektrody wykonane z metalu lub grafitu. Przyłożenie napięcia do elektrod wywołuje między nimi pole elektryczne. To z kolei sprawia, że aniony (ładunek ujemny) znajdujące się w elektrolicie kierują się w stronę anody - elektrody, do której przyłożono dodatni biegun źródła prądu. Kationy, o ładunku dodatnim, podążają w stronę katody - elektrody, do której przyłożono ujemny biegun źródła prądu. W pewnym momencie jony stykają się z odpowiednimi elektrodami i wymieniają z nimi elektrony. Zetknięcie się z katodą powoduje pobieranie elektronów, następuje reakcja redukcji. W efekcie jony stają się obojętnymi drobinami i w tej postaci wydzielają się na katodzie. Zetknięcie się z anodą powoduje oddanie elektronów, dochodzi do reakcji utleniania i wydzielenia obojętnych drobin na anodzie. Te zależności są prawdziwe zawsze - bez względu na substancję poddawaną elektrolizie. A więc na katodzie zawsze zachodzi reakcja redukcji, a na anodzie - utleniania.

Przeprowadzając elektrolizę można uzyskać różnorodne substancje, w zależności od warunków panujących podczas całego procesu. Oto możliwości zmiany warunków:

  • substancją wyjściową jest stopiony elektrolit albo jego wodny roztwór
  • roztwory mogą mieć różne stężenia
  • można zmieniać napięcie przykładane do elektrod (np. poprzez wybór różnych źródeł prądu)
  • można używać elektrod wykonanych z różnych materiałów (np. inny produkt można uzyskać na elektrodach miedzianych, a inny na grafitowych).

Elektroliza znalazła wiele zastosowań praktycznych, szczególnie w przemyśle ale również w analizie ilościowej. Procesy wykorzystywane w przemyśle można sklasyfikować następująco:

  • Elektroliza roztworów wodnych, w tym:

1) procesy, w wyniku których metal wydziela się na katodzie. Wydzielenie metalu jest wtedy bardzo pożądane i stanowi wręcz cel przeprowadzenia elektrolizy. Można w ten sposób uzyskać metale o wysokiej czystości, gdyż wszelkie zanieczyszczenia w znakomitej większości pozostaną w roztworze. Stąd też korzysta się z tej metody przy rafinacji miedzi hutniczej. Zanieczyszczona miedź spełnia rolę anody w elektrolizerze a czysta miedź (zwana miedzią elektrolityczną) wydziela się na powierzchni katody. W ten sam sposób oczyszcza się cynk z rud cynku (proces zachodzi w kwasie). Inne zastosowanie tego typu elektrolizy to pokrywanie różnych powierzchni powłoką galwaniczną z metali szlachetniejszych. Otrzymane powłoki mogą mieć charakter dekoracyjny lub ochronny jak w przypadku niklowania czy chromowania stali. W podobny sposób otrzymuje się formy galwanoplastyczne. Można je uzyskać na modelach, przykładowo - gipsowych, które pokryte zostały warstwą grafitu (grafit sprawia, że nabierają zdolności do przewodzenia prądu, a więc mogą stanowić katodę) 2) procesy, podczas których metal nie wydziela się katodzie. Zaliczamy do nich m.in.: uzyskiwanie czystego H2 poprzez rozłożenie na pierwiastki wody, którą wcześniej zakwaszono albo zalkalizowano; otrzymanie chloranu lub podchlorynu sodowego (używanych jako mocne środki wybielające czy też utleniające) przez utlenienie chlorku sodu (popularnej soli kuchennej); otrzymywanie nadtlenku wodoru (H2O2) przez rozkład związków nadtlenowych otrzymanych przez utlenienie kwasu siarkowego(VI) albo siarczanu amonu [(NH4)2SO4].

  • Elektroliza stopionych elektrolitów (inaczej - termoelektroliza). Ten rodzaj elektrolizy wykorzystuje się m.in. do uzyskiwania wolnego od zanieczyszczeń glinu z tlenku glinu rozpuszczonego w kriolicie. Jest to też dobra metoda otrzymywania metali lekkich (głównie sodu, wapnia i magnezu) ze stopionych soli tych metali.

Aby przeprowadzić elektrolizę trzeba posłużyć się specjalnymi aparatami zwanymi elektrolizerami. W przemyśle korzysta się z elektrolizerów w postaci otwartych lub zamkniętych zbiorników (różnego rodzaju kotły, wanny czy bębny) wypełnionych elektrolitem. Z elektrolitem mają styczność (np. przez zanurzenie) przynajmniej 2 elektrody (przykładowo grafitowa i metalowa), podłączone do źródła prądu stałego. W przypadku elektrolizera bezprzeponowego miejsc wokół katody i anody nie rozdziela się. Odwrotnie jest w przeponowym elektrolizerze - tam pomiędzy anodą a katodą umieszcza się przegrodę w postaci metalowej siatki pokrytej materiałem izolującym lub porowatej płytki ceramicznej albo przepony azbestowej. Taka przegroda umożliwia przepływ prądu jednocześnie zapobiegając wzajemnemu mieszaniu produktów powstałych na anodzie i katodzie (nie dochodzi do reakcji między nimi). Taką samą funkcję ma dzwon w elektrolizerach nazywanych dzwonowymi. Nakłada się go z góry na 1 lub 2 elektrody. Jest on nie tylko przegrodą ale także umożliwia odprowadzanie produktów gazowych elektrolizy. Termoelektrolizery to typ elektrolizerów przystosowanych do przeprowadzania elektrolizy substancji w fazie stałej. Z kolei galwanotechnika posługuje się tzw. galwanicznymi wannami.

To, co determinuje kierunek i rodzaj reakcji, jakie zajdą na obu elektrodach w trakcie przepływu ładunków przez układ elektrolizera, to głównie skład chemiczny roztworu, materiały, z których zbudowane są elektrody, oraz napięcie i temperatura układu. Nie ma jednoznacznych, skutecznych w każdym przypadku zasad przewidywania zachodzących procesów, chociaż istnieje kilka prostych reguł pozwalających przewidzieć wiele sytuacji. Najważniejsze żeby pamiętać, że na danym typie elektrody (dodatnia lub ujemna) zachodzi tylko jeden proces (redukcja lub utlenianie). Warto także wiedzieć, że w reakcji anodowej uczestniczą tylko drobiny, które mogą oddać elektrony (będzie to dla nich korzystne energetycznie) a w reakcji katodowej tylko te, które mogą pobrać elektrony.

Według definicji elektrolizy jej przebieg nie jest ograniczony tylko do środowiska wodnych roztworów elektrolitów. Może ona zachodzić także w przewodniku jonowym. Dotyczy to głównie stopionych substancji mających budowę jonową, do których zaliczamy np. tlenki metali i wodorotlenki. W wyniku topienia tych substancji dochodzi do zniszczenia ich regularnej budowy krystalicznej. Sieć krystaliczna rozluźnia się do tego stopnia, że jony mogą poruszać się swobodnie. To sprawia, że mogą brać udział w reakcjach zachodzących na elektrodach oraz mogą przenosić ładunki elektryczne (co jest równoznaczne z przewodzeniem prądu).

ELEKTROLITYCZNE OTRZYMYWANIE METALI:

Między elektrolizą stopionych soli (lub innych elektrolitów) a elektrolizą w roztworze występuje duże podobieństwo. Elektrolit w stałym stanie skupienia tworzy sieci krystaliczne, w których jony są rozmieszczone regularnie. Przy topieniu elektrolitu struktura kryształu rozluźnia się, jony zaczynają poruszać się szybciej, w sposób coraz bardziej chaotyczny. Podobnie jak to jest w roztworze, jony przemieszczają się względem siebie we wszystkich możliwych kierunkach. Częściowe uporządkowanie można uzyskać przez zanurzenie w stopionym elektrolicie elektrod połączonych ze źródłem prądu. Przyłożone napięcie powoduje uporządkowanie ruchu jonów w ten sposób, że aniony poruszają się w kierunku anody, a kationy - w kierunku katody.

Ten rodzaj elektrolizy stosowany jest przede wszystkim wtedy, gdy istnieją pewne przeszkody w przeprowadzeniu elektrolizy w roztworach wodnych. Poważnym problemem z jakim spotykamy się w przypadku roztworów wodnych jest to, że czasem produkty wydzielone na elektrodach mogą reagować z wodą. Wtedy otrzymanie pożądanej substancji łączyłoby się z koniecznością przeprowadzenia dodatkowych procesów, a to znacznie zwiększa koszty i zmniejsza wydajność całego procesu. Poza tym może się okazać, że produkt będzie już niemożliwy do odzyskania. Kolejną trudnością, na jaką napotykamy w pracy z roztworami wodnymi poddawanymi elektrolizie jest to, że nie zawsze związek który chcemy oczyścić jest rozpuszczalny w wodzie. Wtedy po prostu nie można otrzymać roztworu i nie ma czego poddawać elektrolizie. Taka sytuacja bardzo często ma miejsce przy elektrolitycznym otrzymywaniu metali z rud trudno rozpuszczalnych w wodzie. Przykładem jest otrzymywanie glinu z tlenku glinu Al2O3. W tym przypadku przeprowadza się elektrolizę tego tlenku w stopionym kriolicie Na3AlF­6. Zadaniem kriolitu jest obniżenie bardzo wysokiej temperatury topnienia tlenku glinu (jest ona na tyle wysoka, że niemal niemożliwe jest prowadzenie elektrolizy samego tlenku glinu). Ciekawostką jest, że była to pierwsza elektroliza, w wyniku której wydzielił się glin i została ona przeprowadzona pod koniec XIX wieku (a dokładniej w roku 1886).