Miten elektolyysissä selitetään sähkövirran kulku elektrolyyttiliuoksessa? Johtimessa sähkövirta on elektronien kulkua anodilta katodille. Elektrolyyttiliuoksessa kationit kulkeutuvat katodille ja anionit anodille. Jos kationit ja anionit kulkevat eri suuntiin, ei muodostu ionien jonoa tiettyyn suuntaan. Onko sähkövirta liuoksessa siis vain satunnaista ionien liikettä?
Sähkövirta ei ole satunnaista ionien liikettä, vaan kationit liikkuvat kohti katodia ja anionit kohti anodia, siis vastakkaisiin suuntiin, sähkökentän ajamina. Sähkövirta I on
I = F Σ(z i J i ),
jossa zi on ionin varausluku ja Ji ionin vuo (mol/s); F on Faradyn vakio. Koska Ji on vektorisuure, anionien ja kationien vuon etumerkit ovat vastakkaiset. Tulo zi Ji on siten aina positiivinen, ja anionien ja kationien vuot summautuvat yhteen virran suuruudessa.
Systeemin varaustasapaino, elektroneutraalisuus, säilyy elektrodireaktioiden kautta. Esimerkiksi Suomelle tärkeässä metallien elektrolyysissä metallikationit ottavat vastaan katodilla elektroneja eli pelkistyvät metalliksi, kun taas anodilla yleinen reaktio on hapen kehitys, jossa elektroneja syntyy. Sinkin tapauksessa puolireaktiot ovat:
katodi: Zn 2+ + 2 e − → Zn
anodi: 2 H 2 O → 4 H + + 4 e − + O 2
Liuokseen syntyy siis kaksi protonia kutakin pelkistynyttä sinkkikationia kohti, ja liuos pysyy elektroneutraalina. Elektronit kiertävät ulkoisen virtapiirin kautta.
Elektrodireaktioiden merkitystä ei voi liikaa korostaa, koska ne määräävät, mikä on kennon jännite ja siten tehontarve elektrolyysissä. Hapen kehitys vaatii melko suuren jännitteen, joten jos jännitettä voitaisiin pienentää, elektrolyysin energiakustannukset alenisivat huomattavasti.
Lasse Murtomäki
Kemian laitos, Aalto-yliopisto
