6.4 Batterier og brenselceller

Elektrolyse

Elektrolyse er prosessen der elektrisk energi driv ikkje-spontane kjemiske reaksjonar.

Samanlikning

Oppbygging

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

Elektrolyse av smelte

Ved elektrolyse av smelta salt er det berre iona i saltet som kan reagera.

Døme: Smelta 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:
- Smelta NaCl (tilsett CaCl₂ for å senka smeltepunktet)
- Temperatur: ~600°C
- Produserer reint natriummetall og klorgass

Elektrolyse av vassløysingar

I vassløysingar må vi vurdera om vatn eller iona i saltet reagerer.

Konkurrerande reaksjonar

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

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

Reglar for kva som reagerer

Katoden:
- Edelmetall (Cu, Ag, Au): Metallet blir avsett
- Uedelt metall (Na, Mg, Al): H₂O blir redusert → H₂

Anoden:
- Halogenid (Cl⁻, Br⁻, I⁻): Halogen blir danna
- Andre anion (SO₄²⁻, NO₃⁻): H₂O blir oksidert → O₂

Døme: Elektrolyse av CuSO₄(aq)

Katode: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (kopar blir avsett)
Anode: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ (oksygen blir danna)

Faradays lover

Faradays første lov

Massen av stoff som blir avsett er proporsjonal med ladningsmengda:
$$m = \frac{Q \cdot M}{n \cdot F}$$

der:
- m = masse avsett (g)
- Q = ladning (C) = I × t
- M = molmasse (g/mol)
- n = talet på elektron overført
- F = Faradays konstant = 96485 C/mol

Faradays andre lov

Same ladningsmengd avset ekvivalente mengder av ulike stoff.

Nyttige formlar

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

Døme

For å avsetja 1 mol Cu frå Cu²⁺:
- Treng 2 mol elektron (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu)
- Q = 2 × 96485 = 192970 C

Industrielle bruksområde

Hall-Héroult-prosessen (aluminium)

Elektrolyse av Al₂O₃ løyst i smelta kryolitt (Na₃AlF₆):

Katode: Al³⁺ + 3e⁻ → Al(l)
Anode: 3O²⁻ + C → CO₂ + 6e⁻ (karbonelektrodar blir forbrukte)

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

Kloralkali-prosessen

Elektrolyse av NaCl-løysing:

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

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

Galvanisering

Elektrolytisk belegging av metall:
- Forkroming (Cr)
- Forniklingar (Ni)
- Forsølving (Ag)
- Forgylling (Au)