Przykłady elektrolizy
Elektroliza stopionego chlorku sodowego NaCl
Ciekły stopiony NaCl zawiera podobnie jak kryształ jony Na+ i Cl-, dlatego po przyłożeniu napięcia do elektrod zachodzą na nich następujące reakcje:
- reakcja katodowa Na+ + e --> Na, polegająca na przyłączeniu elektronu dostarczonego przez katodę przez jon sodu, przez co jon ten przechodzi w obojętny atom.
- reakcja anodowa 2Cl- --> Cl2 + 2e, polegająca na oddawaniu anodzie elektronów przez jony chloru (utlenianie jonów), przez co jony przechodzą w obojętne atomy łączące się w gazowe dwuatomowe cząsteczki chloru uchodzące ze stopu
Sumaryczny przebieg reakcji jest następujący
2Na+ + 2Cl- --> 2Na + Cl2
W wyniku elektrolizy ze stopionego chlorku sodu otrzymujemy przez elektrolityczny rozkład metaliczny sód przy katodzie i gazowy chlor wydzielony przy anodzie.
Elektroliza stężonego wodnego roztworu chlorku sodowego
Stężony wodny roztwór NaCl daje nieco inne produkty elektrolizy niż stopiona sól. Na katodzie wydziela się wodór a na anodzie chlor. Przyłożone pole elektryczne powoduje uporządkowanie ruchu jonów w roztworze.
Ujemnie naładowane jony chloru wędrują do anody, oddają elektrony i przechodzą do stanu cząsteczkowego Cl2. Dodatnie jony sodu otrzymują na katodzie elektrony i stają się obojętnymi elektrycznie atomami. Atomy te reagują natyczmiast z wodą w/g równania.
2Na + H2O --> 2NaOH + H2
W efekcie końcowym przy katodzie wydziela się wodór a roztwór osiąga duże stężenie NaOH.
Elektroliza rozcieńczonego roztworu NaCl
Rozcieńczony wodny roztwór NaCl daje w wyniku elektrolizy wodór i tlen. W procesach elektrodowych rozcieńczonych roztworów elektrolitów reagentami są również cząsteczki wody. Woda reaguje z katodą zdobywając elektrony
2H2O + 2e- --> H2 + OH-
czyli H+ + OH- + e- --> H + OH-
W wyniku reakcji katodowej powstaje wydzielający się przy katodzie wodór.
Woda reaguje również z anodą tracąc elektrony
2H2O --> O2 + 4H+ + 4e-
przy czym powstaje wydzielający się przy anodzie tlen. Ogólna reakcja elektrolizy wodnego rozcieńczonego roztworu NaCl ma postać
6H2O --> 2H2 (katoda) + O2 (anoda) + 4H+ + 4OH-
Reakcja elektrolizy rozcieńczonego roztworu NaCl polega zasadniczo na rozkładzie wody
2H2O --> 2H2 + O2
Elektroliza wodnego roztworu kwasu
Podczas elektrolizy kwasów z reguły przy katodzie wydziela się wodór, a przy anodzie tlen lub inne produkty (np. Cl2 przy HCl).
Roztwory kwasów tlenowych (H2SO4, H3PO4, HNO3, H2CO3) dają zawsze tlen i wodór.
Jeżeli mamy do czynienia z roztworami rozcieńczonych kwasów, reakcje zachodzące w roztworze mają przebieg taki sam jak dla rozcieńczonych roztworów soli (patrz reakcje elektrodowe dla rozcieńczonych roztworów soli).
W przypadku większych stężeń na katodzie mamy do czynienia z reakcją
2H+ + 2e- --> H2 (powstaje wodór)
a na anodzie produktem utlenienia anodowego w przypadku anionów kwasów tlenowych jest tlen dostarczany przez jony OH- lub cząsteczki wody a w przypadku kwasów beztlenowych utlenieniu ulegają aniony reszt kwasowych (2Cl- --> Cl2 + 2e-) z wydzieleniem produktu np. chloru.
Elektroliza zasad
Jeżeli poddaje się elektrolizie bardzo rozcieńczony roztwór zasady, a do elektrod nie przyłoży się z zewnętrznego źródła prądu zbyt dużego napięcia, to rozkładowi ulega głównie woda; w wyniku reakcji katodowej
2H2O + 2e- --> 2OH- + H2
i wydziela się wodór, natomiast w wyniku reakcji anodowej
H2O --> 2H+ + 1/2O2 + 2e-
wydziela się tlen, przy czym objętość tworzącego się wodoru jest dwukrotnie większa od objętości tworzącego się tlenu (w tych samych warunkach)
W przypadku roztworów stężonych proces anodowy jest następujący;
2OH- --> H2O + 1/2O2 + 2e-
Wniosek Prawie wszystkie reakcje elektrodowe zachodzące podczas przepływu prądu elektrycznego przez bardzo rozcieńczone roztwory wodne prowadzą do wydzielenia wodoru i tlenu.
Jak widać z reakcji napisanych wyżej, roztwór wokół anody staję się kwaśny w wyniku tworzenia się jonów wodorowych a roztwór wokół katody zasadowy w wyniku tworzenia się jonów wodorotlenowych.
Związki ilościowe w elektrolizie
W latach 1832-1833 Faraday ogłosił odkryte przez siebie na drodze doświadczalnej podstawowe prawa elektrolizy, na podstawie których jesteśmy w stanie szacować masy produktów wydzielonych na elektrodach. Definicji praw które odkrył Faraday nie będziemy przedstawiali, jest to zrobione w fizyce, natomiast w tej części podręcznika wskażemy na związek jaki istnieje pomiędzy ilością produktu a ilością elektryczności zużywanej podczas elektrolizy.
Wiemy ze wszystkie jony pierwszego stopnia utlenienia niezależnie od swego charakteru chemicznego, podczas elektrolizy otrzymują lub oddają jeden elektron a jony wielowartościowe otrzymują lub oddają ładunki większe, proporcjonalne do swego stopnia utlenienia. A to oznacza, że w przypadku jonów wielowartościowych do otrzymania tej samej ilości moli cząstek, potrzeba zużyć większą ilość moli elektronów. Na przykład na redukcję na katodzie 1 mola kationów miedzi Cu2+ potrzeba zużyć 2 mole elektronów e-.
katoda: Cu2+(c) + 2e- --> Cu(c)
Natomiast na redukcję na katodzie 1 mola kationów srebra Ag+ potrzeba zużyć 1 mol elektronów e-.
katoda: Ag+(c) + e- --> Ag(c)
Okazuje się, że ilość moli elektronów możemy zamienić ma ładunek, wykorzystując fakt, ze stała Faradaya, F, określa ładunek jednego mola elektronów.
1 F jest równy 96500 kulombowi ładunku elektrycznego (1 kulomb (C) = 1 A (amper) * 1 sek).
1F = qe (ładunek elektronu) * 6,023 * 1023 = 1,602*1-19 C * 6,023 * 1023 = ok. 96500C
|
Mając na uwadze powyższe uwagi, możemy obliczyć jaką ilość ładunku elektrycznego zużyjemy do wydzielenia na elektrodach 1 mola miedzi i 1 mola srebra. Odpowiednia ilość ładunku dla wyżej napisanych reakcji połówkowych wyniesie.
katoda: Cu2+(c) + 2e- --> Cu(c) - 193000 C (2 F)
katoda: Ag+(c) + e- --> Ag(c) - 96500 C (1 F)
Korzystając z zależności, że ładunek = natężenie prądu (A) * czas (s), zawsze możemy poprzez pomiar natężenia prądu i czasu wyznaczyć liczbę moli dostarczonych elektronów. Znając liczbe moli dostarczonych elektronów i na podstawie stechiometrii reakcji połówkowej możemy obliczyć ilość produktu elektrolizy.
Przykład 1
Oblicz ile miedzi wydzieli się na elektrodzie elektrolizera, jeżeli przez elektrolizer przepłynął prąd o natężeniu 0,5 A w czasie 1 godz. 4 min. 20 sek.
Kolejność rozwiązania zadania jest następująca;
Etap 1 Piszemy równanie połówkowe otrzymywania miedzi i wyznaczamy stosunek molowy elektronów i produktu.
katoda: Cu2+(c) + 2e- --> Cu(c)
Etap 2 Wyznaczamy dostarczony ładunek na podstawie natężenia prądu i czasu. (ładunek = natężenie prądu (A) * czas (sek)). Ładunek = 0,5 A * 3860 s = 1930 C.
Etap 3 Zamieniamy ładunek na liczbe moli elektronów (liczba moli e = ładunek (C) / 1 F). Liczba moli e = 1930 C / 193000 C = 0,01
Etap 3 Obliczamy masę miedzi wydzielonej na elektrodzie.
Obliczenie wykonujemy w oparciu o dane z równania połówkowego. Zgodnie z tymi danymi 2 mole elektronów pozwolą nam otrzymać 1 mol miedzi, tj. 63,55 g Cu, to odpowiednio 0,01 mola elektronów pozwoli nam otrzymać - 0,6355 g Cu.
Stechiometryczne równanie reakcji połówkowej zachodzącej na elektrodach elektrolizera możemy wykorzystać do wyznaczania czasu przepływu prądu w celu uzyskania określonej ilości produktu.
Przykład 2
Jak długo musi przepływać prąd elektryczny o natężeniu 0,2 A przez roztwór AgNO3, aby z 0,1 dm3 roztworu o stężeniu 0,1 mol/dm3 wydzielić całkowicie srebro?
Kolejność rozwiązania zadania jest następująca;
Etap 1 Obliczamy ilość srebra znajdującą sie w roztworze - mAg+ = 1,0787 g.
Etap 2 Piszemy równanie połówkowe otrzymywania srebra i wyznaczamy stosunek molowy elektronów i produktu.
katoda: Ag+(c) + e- --> Ag(c) - 96500 C (1 F)
Etap 3 Obliczamy liczbę moli elektronów potrzebną do wydzielenia 1,0787 g srebra.
Obliczenie wykonujemy w oparciu o dane z równania połówkowego otrzymywania srebra. Zgodnie z tymi danymi, 1 mol elektronów pozwoli nam otrzymać 107,87 g srebra, to odpowiednio do otrzymania 1,0787 g srebra potrzeba 0,01 mola elektronów. Zamieniamy liczbe moli elektronów na ładunek, korzystając z zależności, że ładunek = liczba moli elektronów * 1 F.
Ładunek = 0,01 * 96500 C = 965 C
Etap 4 Obliczamy czas potrzebny do uzyskania 1,0787 g srebra.
Czas potrzebny do otrzymania tej ilości srebra obliczamy z zależności - ładunek = natężenie prądu (A) * czas (sek). Po przekształceniu potrzebny czas wynosi czas = ładunek / natężenie = 965 / 0,2 A = 4825 sek = 1 godz. 20 min 25 sek.
Do góry
|