Przewodnictwo elektryczne, elektroliza oraz przewodnictwo elektryczne cieczy
Przewodnictwo elektryczne to zjawisko przepływu ładunków elektrycznych (prąd elektryczny) pod wpływem pola elektrycznego. Ze względu na wielkość oporności elektrycznej właściwej materiały dzieli się na izolatory (dielektryki), półprzewodniki i przewodniki.
Pod względem mechanizmu mikroskopowego przewodnictwo elektryczne dzieli się na elektronowe (zachodzi w metalach i półprzewodnikach), jonowe (w gazach, cieczach i kryształach jonowych) oraz mieszane (w plazmie). Przewodnictwo elektryczne jest jednym z zagadnień teorii transportu.
Woda to związek chemiczny występujący w wielkiej obfitości na Ziemi. Woda jest dobrym izolatorem, ale zanieczyszczona domieszkami w mniejszym lub większym stopniu przewodzi prąd. Niewątpliwie zatem domieszki rozpuszczone w wodzie decydują o jej przewodnictwie elektrycznym.
Pierwszym uczonym, który prowadził badania nad przepływem prądu przez wodne roztwory, był żyjący w latach 1791-1867 genialny samouk, Anglik Michael Faraday. Dzięki wielkim uzdolnieniom i ogromnej pracowitości, z pomocnika introligatora doszedł do stanowiska profesora fizyki i chemii. Dokonał wielu doniosłych odkryć decydujących o rozwoju elektrotechniki. On właśnie zauważył, że prąd elektryczny płynąc przez wodne roztwory soli, kwasów i zasad zachowuje się zupełnie inaczej niż przepływając przez ciała stałe. O ile mianowicie pod wpływem prądu w ciałach stałych nie zachodzą żadne chemiczne zmiany – o tyle w roztworach wodnych ww. związków zachodzą pewne reakcje chemiczne zwane rozkładem.
W kilkadziesiąt lat później zainteresował się tą sprawą pewien szwedzki uczony, Svante Arrhenius. Dalsze badania przepływu prądu w cieczach doprowadziły go do odkrycia praw rządzących tym przepływem i do wyjaśnienia, na czym właściwie polega wspomniany rozkład.
Cząstka każdego kwasu składa się z wodoru i tzw. reszty kwasowej. Cząstkę każdej zasady stanowi jakiś metal i powiązanie chemiczne wodoru z tlenem, zwane grupą wodorotlenową. Sól chemiczna jest wynikiem chemicznego działania jakiegoś kwasu na zasadę – dlatego w skład cząsteczki każdej soli wchodzi zawsze jakiś metal oraz wspomniana reszta kwasowa. W stanie suchym owe składniki kwasów, zasad i soli są ze sobą ściśle powiązane. Nie wykazują przy tym przewagi żadnego ładunku elektrycznego, pozostają więc elektrycznie obojętne. Z chwilą jednak zanurzenia w wodzie któregoś z tych ciał, z jego cząstkami zaczyna się dziać coś niezwykłego. Następuje natychmiastowy ich rozkład na poszczególne składniki, przy czym składniki te przestają być obojętne elektrycznie, wykazując wyraźną przewagę ładunków elektrycznych odmiennych znaków. Wodór mianowicie i metale wykazują ładunki dodatnie, reszty kwasowe zaś i grupy wodorotlenowe – ładunki ujemne. Otóż taki rozkład zanurzonych w wodzie cząstek kwasów, zasad i soli naukowcy nazywają dysocjacją elektrolityczną. Produktom zaś tego rozkładu w postaci atomów i grup atomów wykazujących ładunki różnych znaków dano nazwę jonów. Mamy więc tu do czynienia z jonami dodatnimi (wodór i metale) i ujemnymi (reszty kwasowe i grupy wodorotlenowe). Sam zaś wodny roztwór kwasów, zasad czy soli nosi nazwę elektrolitu.
Jeszcze dziwniejsze rzeczy zaczną się dziać elektrolitem, gdy się doprowadzi do niego napięcie ze źródła. W tym celu na każdym z przeciwległych krańców naczynia z elektrolitem zanurza się metalową sztabkę lub płytkę, połączoną z odpowiednim biegunem źródła. Sztabki te zwane są elektrodami, przy czym elektroda połączona z dodatnim biegunem źródła stanowi anodę, z ujemnym zaś – katodę. Otóż natychmiast po przyłożeniu w ten sposób napięcia do elektrolitu zawarte w nim jony ujemne zaczną być przyciągane przez anodę (jako dysponującą nadmiarem ładunków dodatnich), jony zaś dodatnie rozpoczną wędrówkę ku katodzie (jako wykazującej przewagę ładunków ujemnych). Mamy tu więc do czynienia w wędrówką jonów w dwóch przeciwnych kierunkach. Tej właśnie wędrówce zawdzięczają jony swą nazwę, gdyż jon to po grecku wędrowiec. Jony dodatnie – jako że dążą do katody – otrzymały nazwę kationów, jony ujemne ochrzczono mianem anionów, gdyż zdążają ku anodzie. Zawarte więc w elektrolicie jony wodoru i metali są kationami, podczas gdy jony reszt kwasowych i grup wodorotlenowych – anionami. To zaś, co dzieje się pod wpływem prądu elektrycznego w wodnych roztworach chemicznych soli, kwasów czy zasad, nazywamy elektrolizą.
Elektroliza
Są to procesy chemiczne zachodzące na elektrodach, jeśli elektrody te są połączone z zewnętrznym źródłem prądu stałego. Elektrody (najczęściej metaliczne) zanurzone są w roztworze elektrolitu lub w elektrolicie stopionym.
Anoda jest elektrodą połączoną z dodatnim biegunem źródła prądu, a katoda połączona jest z ujemnym biegunem źródła prądu.
Dodatnio naładowane jony elektrolitu (kationy) wędrują do ujemnej katody, przyjmują od niej elektrony i przechodzą w obojętne atomy. Proces ten jest znanym procesem redukcji. Na katodzie zatem odbywa się zawsze proces redukcji.
Ujemnie naładowane jony elektrolitu (aniony) wędrują do dodatniej anody, oddają jej elektrony, a same wydzielają się w postaci wolnych pierwiastków. Oddawanie elektronów jest procesem utleniania jonów. Na anodzie zatem odbywa się zawsze proces utleniania.
Procesy rozładowywania jonów odbywają się równocześnie na obu elektrodach. Katoda w sposób ciągły oddaje elektrony, natomiast anoda przyjmuje elektrody od anionów. W wyniku tych procesów w przewodniku metalowym, łączącym elektrody ze źródłem prądu, płynie prąd elektryczny (strumień elektronów).
Widzimy więc, że po przyłożeniu napięcia do elektrolitu następuje w nim przemieszczanie się ładunków ujemnych – co stanowi przepływ prądu elektrycznego.
Przepływ prądu przez elektrolit nie odbywa się tak samo jak przez ciała stałe – z tym tylko, że powoduje chemiczny rozkład elektrolitu.
W ciałach stałych prąd elektryczny stanowiło owo sztafetowe przemieszczanie się ujemnych ładunków na barkach wolnych elektronów wzdłuż obwodu, w kierunku dodatniego bieguna źródła. W cieczach natomiast „sprawcami” prądu są jony. Dodatnie jony wodoru i dodatnie jony metalu dążą do katody. Ładunek wodoru ulega tam zobojętnieniu, przejmując z niej elektrony, a sam wodór w postaci pęcherzyków wydostaje się na powierzchnię elektrolitu, by połączyć się z atmosferą. Ładunek metalu również ulega zobojętnieniu na katodzie, przy czym sam metal osadza się w sposób trwały na jej powierzchni. Analogicznie rzecz dzieje się z ujemnymi jonami reszty kwasowej. Osiągnąwszy anodę ulegają one tam zobojętnieniu, oddając jej swój nadmiar elektronów – przy czym tlen (który wchodził w skład reszt kwasowych) już wolny, uchodzi do atmosfery.
W elektrolicie więc nosicielami ujemnych ładunków są jony ujemne kierujące się ku anodzie – ich przemieszczanie się stanowi prąd elektryczny płynący w tej cieczy. Dlatego właśnie w cieczach mamy do czynienia z tzw. jonowym przewodzeniem prądu – w przeciwieństwie do ciał stałych, charakteryzujących się tzw. przewodzeniem elektronowym.
Praktyczne zastosowanie przewodnictwa elektrycznego cieczy
Jednym z praktycznych zastosowań przewodnictwa elektrycznego cieczy jest wykorzystanie przewodzenia prądu przez kwas w ogniwach elektrycznych, np. w akumulatorze samochodowym. Innym przykładem może być zastosowanie właściwości elektrolizy w galwanoplastyce, galwanostegii i elektrolitycznym czyszczeniu metali. Dla przybliżenia tego tematu, opiszę na czym polega proces elektrolitycznego czyszczenia metali na przykładzie miedzi.
Po odkryciu w Polsce nowych, zasobnych złóż miedzi zaczęto wydobywać ten cenny metal na skałę przemysłową. Oczyszczanie go z domieszek przeprowadza się za pomocą elektrolizy. W roztworze siarczanu miedzi zanurzony jest blok nie oczyszczonej miedzi jako anoda. Katodę stanowi cienka płytka miedzi czystej. W trakcie elektrolizy dodatnie jony metalu osadzają się na katodzie stopniowo ją pogrubiając. Jony ujemne reszty kwasowej dochodzą do anody, pozbywają się nadmiaru elektronów i rozpadają się na tlen i trójtlenek siarki. Na ich miejsce do tej akcji wchodzą dalsze jony elektrolitu. Ubytek ich jest uzupełniany kosztem anody, co powoduje stopniowy jej rozkład. Proces zostaje zakończony, gdy płytka katody osiąga właściwą grubość. Tak uzyskany czysty produkt nazywamy miedzią elektrolityczną.