سلول الکترولیتی یک سلول الکتروشیمیایی است که با استفاده از انرژی الکتریکی یک واکنش اکسایش غیر خود به خودی را هدایت می کند. این سلول ها اغلب برای تجزیه ترکیبات شیمیایی، در فرآیندی به نام الکترولیز استفاده می شوند. کلمه یونانی “لیز” به معنای تجزیه است.
نمونه های مهم الکترولیز تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن و بوکسیت به آلومینیوم و سایر مواد شیمیایی است. آبکاری (به عنوان مثال مس ، نقره ، نیکل یا کروم) با استفاده از یک سلول الکترولیتی انجام می شود. الکترولیز تکنیکی است که در آن از یک جریان الکتریکی مستقیم (DC) استفاده می شود.
یک سلول الکترولیتی دارای سه جزء است: یک الکترولیت و دو الکترود که الکترود ها شامل یک کاتد و یک آند می باشند. الکترولیت معمولاً محلولی از آب یا حلال های دیگر است که یون ها در آن حل می شوند. نمک های مذاب مانند کلرید سدیم نیز الکترولیت هستند. هنگامی که یک ولتاژ خارجی بر روی الکترود ها اعمال شود، یون های موجود در الکترولیت به الکترودی که بار مخالف دارد جذب می شوند. جایی که واکنش های انتقال بار (همچنین به نام فارادائیک یا ردوکس) می توانند اتفاق بیفتند. تنها با داشتن پتانسیل الکتریکی خارجی (یعنی ولتاژ) با قطبیت صحیح و بطور کافی بزرگ ، یک سلول الکترولیتی می تواند یک ترکیب شیمیایی پایدار یا بی اثر را در محلول تجزیه کند. انرژی الکتریکی ارائه شده می تواند یک واکنش شیمیایی ایجاد کند که در غیر این صورت خود به خود رخ نمی دهد.
مایکل فارادی (Michael Faraday) کاتد یک سلول را به عنوان الکترودی که کاتیون ها در مدار جریان در داخل سلول به سمت آن جاری می شوند، معرفی کرد. این کاتیون ها با واکنش با الکترون های (بار منفی) موجود در آن الکترود، کاهش می یابند.
به همین ترتیب، او آند را به عنوان الکترودی که آنیون ها از آن به سمت کاتد درون سلول جریان پیدا می کنند، معرفی کرد تا با رساندن الکترون بر روی الکترود اکسید شوند.
برای یک سیم خارجی متصل به الکترود های یک سلول گالوانیک (یا باتری) که یک مدار الکتریکی را تشکیل می دهد، کاتد، مثبت و آند، منفی است. بنابراین جریان الکتریکی مثبت در مورد یک سلول گالوانیک از کاتد به آند از طریق مدار خارجی جریان می یابد.
دو سلول ولتاژی با مقادیر ولتاژ نابرابر را در نظر بگیرید. الکترود های مثبت و منفی هر یک را به ترتیب P و N علامت گذاری کنید. آنها را در یک مدار با P در نزدیکی P و N در نزدیکی N قرار دهید، بنابراین سلول ها تمایل دارند جریان را در جهت های مخالف هدایت کنند. سلول با ولتاژ بزرگتر تخلیه می شود و آن را تبدیل به یک سلول گالوانیک می کند، بنابراین P کاتد و همانطور که در بالا گفته شد، N آند است. اما سلول با ولتاژ کمتر شارژ می شود و آن را به یک سلول الکترولیتی تبدیل می کند. در سلول الکترولیتی، یون های منفی به سمت P و یون های مثبت به سمت N هدایت می شوند. بنابراین، الکترود P در سلول الکترولیتی در حالی که سلول الکترولیتی شارژ می شود، به تعریفی مشابه با آند می رسد. به طور مشابه، الکترود N در سلول الکترولیتی در حالی که سلول الکترولیتی شارژ می شود تبدیل به کاتد می شود.
همانطور که قبلاً اشاره شد، آب، به ویژه هنگامی که یون ها اضافه می شوند (آب نمک یا آب اسیدی)، می تواند الکترولیز شود. هنگامی که توسط منبع خارجی ولتاژ هدایت می شود، یون های هیدروژن مثبت به سمت کاتد می روند تا با الکترون ترکیب شوند و در واکنش کاهشی گاز هیدروژن تولید کنند. به همین ترتیب، یون های OH منفی به سمت کاتد می روند تا با الکترون ترکیب شوند و در واکنش کاهشی گاز هیدروژن تولید کنند. به همین ترتیب، یون های H مثبت به آند می روند تا گاز اکسیژن در یک واکنش اکسیداسیون تولید کنند.
در کلرید سدیم مذاب، هنگامی که یک جریان از طریق نمک عبور می کند، آند یون های کلرید را اکسید می کند و الکترون ها را به سوی آند آزاد می کند. به همین ترتیب، کاتد یون های سدیم را کاهش می دهد، که الکترون ها را نیز از کاتد می گیرد و به عنوان فلز سدیم روی کاتد قرار می دهد.
NaCl حل شده در آب همچنین می تواند الکترولیز شود. آند یون های کلرید را اکسید می کند، و گاز Cl2 تولید می شود. با این حال، در کاتد، به جای اینکه یون های سدیم به فلز سدیم تبدیل شود، مولکول های آب به یون های هیدروکسید و گاز هیدروژن تجزیه می شوند. نتیجه کلی الکترولیز تولید گاز کلر و محلول هیدروکسید سدیم (NaOH) است.
تقریباً تمام آلومینیوم، مس، روی و سرب های با خلوص بالا به صورت صنعتی در سلول های الکترولیتی تولید می شوند.