Elektrolýza: Porovnání verzí

Aktuální verze z 22. 11. 2025, 22:47

Rozbalit box

Obsah boxu

Elektrolýza je fyzikálně-chemický proces, při kterém dochází k rozkladu chemických látek pomocí stejnosměrného elektrického proudu. Tento jev probíhá v zařízení zvaném elektrolyzér, kde je do vodivého roztoku nebo taveniny (tzv. elektrolyt) zaveden elektrický proud prostřednictvím dvou elektrod: anody (kladná elektroda) a katody (záporná elektroda). Na elektrodách dochází k redoxním reakcím – na katodě k redukci a na anodě k oxidaci. Elektrolýza má zásadní význam v mnoha průmyslových odvětvích, od výroby kovů a chemikálií až po moderní technologie výroby zeleného vodíku.

🔬 Pro laiky: Elektrický proud jako demoliční četa pro molekuly

Představte si, že molekuly jsou jako stavby z lega, kde jsou jednotlivé kostičky (atomy) spojeny dohromady. Elektrolýza je jako nasazení speciální demoliční čety, která používá jako nástroj elektrický proud.

Tato "četa" má dva týmy, které pracují na dvou místech – na záporné a kladné elektrodě. Když pustíte proud do správné kapaliny (třeba slané vody), začnou se dít věci. Kladně nabité části molekul (kationty) jsou přitahovány k záporné elektrodě, kde dostanou "dárek" v podobě elektronů a promění se zpět na původní prvek (například na kov). Záporně nabité části (anionty) putují naopak ke kladné elektrodě, kde své přebytečné elektrony odevzdají a často se změní na plyn.

Jednoduše řečeno, elektrolýza je řízený rozklad látek na jejich základní stavební kameny pomocí elektřiny. Díky tomu umíme z obyčejné slané vody vyrobit chlor na dezinfekci a hydroxid sodný na mýdlo, z kamene (rudy) čistý hliník na plechovky, nebo z čisté vody vyrobit vodík pro pohon aut budoucnosti.

📜 Historie

Ačkoliv první pozorování rozkladu vody elektřinou učinili již v roce 1800 William Nicholson a Anthony Carlisle, základy pro systematické pochopení a využití elektrolýzy položil až anglický vědec Michael Faraday ve 30. letech 19. století. Faraday nejenže provedl řadu klíčových experimentů, ale také zavedl základní terminologii, kterou používáme dodnes, jako jsou pojmy elektrolyt, anoda, katoda, elektroda a iont. Jeho nejdůležitějším přínosem byla formulace dvou zákonů, které kvantitativně popisují vztah mezi prošlým elektrickým nábojem a množstvím vyloučené látky. Tyto Faradayovy zákony elektrolýzy se staly základním kamenem elektrochemie.

⚙️ Princip a komponenty

Elektrolýza probíhá v elektrolytické vaně nebo elektrolyzéru a vyžaduje tři základní komponenty:

Elektrolyt: Látka (roztok nebo tavenina), která obsahuje volně pohyblivé ionty a vede tak elektrický proud. Může jít například o vodný roztok soli, kyseliny nebo zásady, případně o taveninu iontové sloučeniny.
Katoda: Záporně nabitá elektroda připojená k zápornému pólu zdroje napětí. Přitahuje kladně nabité ionty (kationty), které zde přijímají elektrony a dochází k jejich redukci.
Anoda: Kladně nabitá elektroda připojená ke kladnému pólu zdroje. Přitahuje záporně nabité ionty (anionty), které zde odevzdávají elektrony a dochází k jejich oxidaci.

Po připojení zdroje stejnosměrného napětí vznikne v elektrolytu elektrické pole, které způsobí usměrněný pohyb iontů. Kationty putují ke katodě a anionty k anodě. Na povrchu elektrod pak dochází k výměně elektronů a tím i k chemické přeměně látek.

⚖️ Faradayovy zákony elektrolýzy

Kvantitativní průběh elektrolýzy přesně popisují dva Faradayovy zákony, formulované v roce 1834.

První Faradayův zákon: Hmotnost látky vyloučené na elektrodě je přímo úměrná celkovému elektrickému náboji, který prošel elektrolytem. Matematicky vyjádřeno: m = A · Q = A · I · t, kde m je hmotnost látky, Q je náboj, I je proud, t je čas a A je elektrochemický ekvivalent látky.
Druhý Faradayův zákon: Látková množství různých látek, která se vyloučí průchodem stejného náboje, jsou si chemicky ekvivalentní. To znamená, že hmotnosti vyloučených látek jsou úměrné jejich molárním hmotnostem a nepřímo úměrné počtu elektronů potřebných k vyloučení jedné molekuly.

💡 Praktické využití a aplikace

Elektrolýza je klíčovým procesem v mnoha oblastech průmyslu a technologií:

Výroba chemikálií: Velkokapacitní výroba základních chemikálií, jako je chlor, vodík a hydroxid sodný, probíhá tzv. chlor-alkalickým procesem, což je elektrolýza vodného roztoku chloridu sodného (solanky).
Elektrometalurgie (Výroba kovů): Mnoho kovů se vyrábí elektrolýzou tavenin jejich rud. Nejznámějším příkladem je výroba hliníku z bauxitu pomocí Hall-Héroultova procesu. Tímto způsobem se vyrábí také sodík, hořčík nebo vápník.
Elektrolytická rafinace: Používá se k dosažení vysoké čistoty kovů, například při výrobě elektrovodné mědi. Surová měď tvoří anodu, která se rozpouští, a na katodě se vylučuje velmi čistá měď (až 99,99 %).
Galvanické pokovování (Galvanostegie): Na povrch vodivého předmětu (katody) se elektrolýzou nanáší tenká vrstva jiného kovu (např. chromu, niklu, zinku nebo stříbra) pro ochranu proti korozi nebo pro estetické účely.
Eloxování (Anodizace): Jedná se o proces, kdy se na povrchu hliníku a jeho slitin vytváří ochranná vrstva oxidu hlinitého, která je tvrdá, odolná proti korozi a lze ji dále barvit.
Výroba vodíku: Elektrolýza vody je klíčovou technologií pro výrobu tzv. zeleného vodíku, pokud je použitá elektřina z obnovitelných zdrojů. Tento vodík je považován za palivo budoucnosti pro dopravu a průmysl.

💧 Příklad: Elektrolýza vody

Elektrolýza vody je klasickým příkladem tohoto procesu. Čistá voda je velmi špatný vodič, proto se do ní pro zvýšení vodivosti přidává malé množství kyseliny sírové nebo hydroxidu draselného.

Při průchodu proudu dochází k následujícím reakcím:

Na katodě (-) dochází k redukci vody a vzniká plynný vodík:

   :2 H₂O + 2e⁻ → H₂ (g) + 2 OH⁻

Na anodě (+) dochází k oxidaci vody a vzniká plynný kyslík:

   :2 H₂O → O₂ (g) + 4 H⁺ + 4e⁻

Celková rovnice rozkladu vody je:

2 H₂O (l) → 2 H₂ (g) + O₂ (g)

Výsledkem je, že se na katodě vylučuje dvojnásobný objem plynu (vodík) než na anodě (kyslík). Tento proces je základem pro vodíkovou ekonomiku.

🌍 Environmentální a ekonomický význam

Elektrolýza hraje stále významnější roli v přechodu na udržitelnou energetiku. Výroba zeleného vodíku elektrolýzou vody s využitím přebytečné energie z větrných a solárních elektráren umožňuje dlouhodobě skladovat energii a dekarbonizovat průmysl i dopravu. V Evropské unii i v Česku jsou pro roky 2025 a další plánovány masivní investice do budování elektrolyzérů.

Hlavní výzvou zůstává vysoká energetická náročnost a s tím spojené náklady. Například na výrobu 1 kg vodíku je potřeba přibližně 9 litrů vody a 50-60 kWh elektrické energie. Intenzivní výzkum se proto zaměřuje na vývoj účinnějších katalyzátorů a technologií (např. vysokoteplotní elektrolýza), které by snížily výrobní cenu zeleného vodíku na úroveň konkurenceschopnou fosilním palivům.

Zdroje