6.4 Batterier og brenselceller

Elektrolyse

Elektrolyse er prosessen der elektrisk energi driver ikke-spontane kjemiske reaksjoner.

Sammenligning

Oppbygning

Merk: I elektrolyse er anoden +, i galvaniske celler er anoden -.

Elektrolyse av smelte

Ved elektrolyse av smeltede salter er det kun saltets ioner som kan reagere.

Eksempel: Smeltet NaCl

Katode (-): Na⁺ + e⁻ → Na(l)
Anode (+): 2Cl⁻ → Cl₂(g) + 2e⁻

Total reaksjon:
$$2\text{NaCl}(l) \xrightarrow{\text{elektrolyse}} 2\text{Na}(l) + \text{Cl}_2(g)$$

Downs-prosessen

Industriell produksjon av natrium:
- Smeltet NaCl (tilsatt CaCl₂ for å senke smeltepunktet)
- Temperatur: ~600°C
- Produserer rent natriummetall og klorgass

Elektrolyse av vannløsninger

I vannløsninger må vi vurdere om vann eller saltets ioner reagerer.

Konkurrerende reaksjoner

Ved katoden (reduksjon):
- Metallioner: M^n+ + ne⁻ → M
- Vann: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

Ved anoden (oksidasjon):
- Halogenidioner: 2X⁻ → X₂ + 2e⁻
- Vann: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻

Regler for hva som reagerer

Katoden:
- Edelmetall (Cu, Ag, Au): Metallet avsettes
- Uedelt metall (Na, Mg, Al): H₂O reduseres → H₂

Anoden:
- Halogenider (Cl⁻, Br⁻, I⁻): Halogen dannes
- Andre anioner (SO₄²⁻, NO₃⁻): H₂O oksideres → O₂

Eksempel: Elektrolyse av CuSO₄(aq)

Katode: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (kopper avsettes)
Anode: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ (oksygen dannes)

Faradays lover

Faradays første lov

Massen av stoff avsatt er proporsjonal med ladningsmengden:
$$m = \frac{Q \cdot M}{n \cdot F}$$

hvor:
- m = masse avsatt (g)
- Q = ladning (C) = I × t
- M = molmasse (g/mol)
- n = antall elektroner overført
- F = Faradays konstant = 96485 C/mol

Faradays andre lov

Samme ladningsmengde avsetter ekvivalente mengder av forskjellige stoffer.

Nyttige formler

$$Q = I \cdot t$$
$$n_{e^-} = \frac{Q}{F}$$
$$n_{stoff} = \frac{n_{e^-}}{z}$$ (z = antall e⁻ per ion)

Eksempel

For å avsette 1 mol Cu fra Cu²⁺:
- Trenger 2 mol elektroner (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu)
- Q = 2 × 96485 = 192970 C

Industrielle anvendelser

Hall-Héroult-prosessen (aluminium)

Elektrolyse av Al₂O₃ løst i smeltet kryolitt (Na₃AlF₆):

Katode: Al³⁺ + 3e⁻ → Al(l)
Anode: 3O²⁻ + C → CO₂ + 6e⁻ (karbonelektroder forbrukes)

- Temperatur: ~960°C
- Svært energikrevende (~15 kWh/kg Al)

Kloralkali-prosessen

Elektrolyse av NaCl-løsning:

Katode: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Anode: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

Produkter:
- Klorgass (Cl₂)
- Hydrogengass (H₂)
- Natriumhydroksid (NaOH)

Galvanisering

Elektrolytisk belegging av metaller:
- Forkromming (Cr)
- Fornikkling (Ni)
- Forsølving (Ag)
- Forgylling (Au)