Elektroliza – najważniejsze informacje do matury z chemii!
Wiemy już, że w ogniwie galwanicznym powstaje energia elektryczna w wyniku przebiegających w nim reakcji chemicznych. Elektrony w ogniwie płynął od anody (elektrody o niższym potencjale) do katody (elektrody o wyższym potencjale). Podłączenie elektrod ogniwa do zewnętrznego źródła prądu stałego o odpowiednim napięciu powoduje zachodzenie reakcji chemicznych odwrotnych do reakcji elektrodowych ogniwa. Ogół tych reakcji chemicznych nazywa się elektrolizą. Elektroliza nie jest procesem samorzutnym, lecz wymuszonym i może zachodzić w roztworach wodnych oraz w stopionych solach i wodorotlenkach. Elektrolizę prowadzi się w elektrolizerach, które zbudowane są z naczynia zawierającego substancję poddaną elektrolizie i dwie elektrody, jedna połączona z dodatnim, a druga z ujemnym biegunem źródła prądu. Podczas elektrolizy, odwrotnie niż w przypadku ogniw galwanicznych, elektroda połączona z dodatnim biegunem źródła prądu to anoda (utlenianie), a elektroda ujemna to katoda (redukcja).
Napięcie rozkładowe
Elektroliza przebiega tylko wówczas, gdy do elektrod przyłożone jest dostatecznie duże napięcie -tak zwane napięcie rozkładowe (Ur). Różnicę między potencjałem elektrody będącej w równowadze (czyli elektrody, która nie pracuje) i elektrody pracującej nazywa się nadpotencjałem (nadnapięciem elektrolizy) elektrody i oznacza się jako η (eta).
Ur = SEM + η
Wartość nadnapięcia η dla danej reakcji elektrodowej zależy od:
– materiału, z którego są zbudowane elektrody,
– ich powierzchni (porowate czy gładkie),
– rodzaju elektrolitu,
– temperatury.
Kolejność redukcji kationów na katodzie
- Najpierw redukują się kationy metali (mało aktywnych) w kolejności ich malejących potencjałów standardowych, np:
w roztworze zawierającym jony Ag+ i Cu2+ o tym samym stężeniu pierwsze zredukują się jony Ag+ - następnie redukują się jony H+ lub woda i wydziela się wodór
w wodnych roztworach kwasów:
2H+ + 2e– → H2
w wodnych roztworach soli glinu i soli metali aktywnych:
2H2O + 2e– → H2 + 2OH–
W środowisku kwasowym może równocześnie wydzielać się wodór i metal.
Zobacz jak możemy Ci pomóc
Kolejność utleniania anionów na anodzie
- Najpierw utleniają się aniony kwasów beztlenowych i ich soli (Cl–, Br– itd.) oraz wydziela się niemetal
2Cl– → Cl2 + 2e– - następnie utleniają się jony OH– lub woda i wydziela się tlen
w wodnych roztworach zasad:
2OH– → H2O + 1/2O2 + 2e–
w wodnych roztworach kwasów tlenowych i ich soli
H2O → 1/2O2 + 2H+ +2e-
Nie utleniają się natomiast jony reszt kwasowych kwasów tlenowych, do których utlenienia potrzeba wyższych potencjałów, niż można uzyskać podczas przeprowadzania elektrolizy wodnego roztworu.
Elektroliza stopionych tlenków, soli i wodorotlenków
Elektroliza zachodzi także w przypadku stopionych tlenków, soli i wodorotlenków. W wysokiej temperaturze sieć krystaliczna tych substancji zostaje zniszczona. Dzięki temu możliwy staje się swobodny ruch jonów w kierunku elektrod. Na katodzie wydziela się metal, a na anodzie tlen lub inny niemetal. W takim procesie zachodzą więc takie same reakcje elektrodowe jak w wodnym roztworze, z tą różnicą, że brak jest jonów H+ i OH– pochodzących z dysocjacji wody.
Trochę teorii, a teraz czas na praktykę!
Napisz równania reakcji elektrodowych zachodzących podczas elektrolizy:
a) stopionego CaCl2
b) wodnego roztworu H2SO4
c) wodnego roztworu NaOH
d) wodnego roztworu AgNO3
e) stopionego NaOH
Zobacz odpowiedź
a) stopiony CaCl2
katoda: Ca2+ + 2e– → Ca
anoda: 2Cl– → Cl2 + 2e–
b) wodny roztwór H2SO4
katoda: 2H+ + 2e– → H2
anoda: H2O → 1/2O2 + 2e– + 2H+
c) wodny roztwór NaOH
katoda: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
anoda: 2OH– → 1/2O2 + 2e– + H2O
d) wodny roztwór AgNO3
katoda: Ag+ + e– → Ag
anoda: H2O → 1/2O2 + 2e– + 2H+
e) stopiony NaOH
katoda: Na+ + e– → Na
anoda: 2OH– → 1/2O2 + 2e– + 2H2O
Uzupełnij poniższe zdania. Wybierz i zaznacz jedno określenie spośród podanych w nawiasie.
W procesie elektrolizy, podczas przepływu prądu przez wodny roztwór siarczanu(VI) miedzi(II) elektrony (są pobierane z katody / są przekazywane na katodę) przez kationy Cu2+. Obecne w roztworze jony miedzi(II) ulegają procesowi (redukcji / utleniania), a efektem tego jest (zwiększenie / zmniejszenie) masy katody.
Zobacz odpowiedź
W procesie elektrolizy, podczas przepływu prądu przez wodny roztwór siarczanu(VI) miedzi(II) elektrony (są pobierane z katody / są przekazywane na katodę) przez kationy Cu2+. Obecne w roztworze jony miedzi(II) ulegają procesowi (redukcji / utleniania), a efektem tego jest (zwiększenie / zmniejszenie) masy katody.
Prawa elektrolizy
Wiemy już, jakie produkty wydzielają się na elektrodach podczas elektrolizy. Określenie, ile produktu wydziela się na elektrodzie zawdzięczamy pracom Michała Faradaya, który w pierwszej połowie XIX wieku sformułował dwa prawa, nazywane do dzisiaj prawami Faradaya.
I prawo Faradaya
Masa substancji m wydzielonej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu I płynącego przez elektrolit i czasu trwania elektrolizy t.
m = k · I · t
gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności opisującym masę substancji wydzieloną podczas przepływu jednostkowego ładunku, np. 1 C.
II prawo Faradaya
Stosunek masy molowej M substancji wydzielającej się na elektrodzie do iloczynu równoważnika elektrochemicznego k i liczby ładunkowej reakcji elektrodowej z dla 1 mola substancji o masie molowej M jest wielkością stałą:
F = M/(k · z)
Wielkość F nazywa się stałą Faradaya F = 96500 C/mol,
gdzie z – liczba ładunkowa reakcji elektrodowej, jest liczbą dodatnią, bezwymiarową równą współczynnikowi stechiometrycznemu elektronów w równaniu reakcji elektrodowej dla 1 mola produktu wydzielającego się na katodzie lub anodzie.
Zależność łącząca oba prawa Faradaya nosi nazwę równania elektrolizy i ma postać:
m = (M · I · t)/(F · z)
Czas na zadania dotyczące praw Faradaya!
W procesie elektrolizy wodnego roztworu wodorotlenku sodu na elektrodach platynowych zachodzą następujące procesy na katodzie i anodzie:
K(−): 4H2O + 4e–→ 2H2 + 4OH–
A(+): 2H2O → O2 + 4H+ + 4e–
Oblicz, ile minut należy prowadzić elektrolizę wodnego roztworu wodorotlenku sodu prądem o natężeniu 10 A, aby otrzymać 2,8 dm3 wodoru w warunkach normalnych.
Przyjmij następujące założenia:
– wydajność prądowa procesu elektrolizy wynosi 100%
– wartość stałej Faradaya F = 96500 C/mol
Wynik podaj w zaokrągleniu do liczby całkowitej.
Zobacz odpowiedź
2 g — 22,4 dm3
x — 2,8 dm3
x = 0,25 g
t = (z · m · F)/(M · I) = (2 · 0,25 g · 96500 C · mol-1)/(2 g · mol-1 · 10A) = 2412,5s
t = 40 minut
Podczas przepływu prądu o natężeniu 2 A przez wodny roztwór soli zawierającej jony metalu X3+ wydzieliło się 2,08 g tego metalu w ciągu 1,5 h. Stała Faradaya F = 96500 C· mol-1.
Oblicz masę molową metalu X. Przyjmij, że podczas elektrolizy nie zachodziły na katodzie inne procesy redukcji.
Zobacz odpowiedź
Podczas elektrolizy zachodzi reakcja:
X3+ + 3e− → X oznacza to, że na zredukowanie jednego mola jonów X3+ potrzeba trzech moli elektronów, a więc ładunek równy 3 · 96500 C = 289500 C
Podczas elektrolizy przepłynął ładunek równy:
q = l ⋅ t = 2A · 5400s= 10800 C i ponieważ:
10800 C — 2,08 g
289500 C — x g
gdzie x jest masą jednego mola metalu
x= 55,76 g
M(Fe)= 55,76 g ⋅ mol–1
Sprawdź też!
Bibliografia
● S. Hejwowska, R. Marcinkowski, J. Staluszka, Chemia 3, Gdynia 2005
● M. Litwin, S. Styka-Wlazło, J. Szymońska, To jest chemia 1, Warszawa 2019
● M. Litwin, S. Styka-Wlazło, J. Szymońska, Chemia ogólna i nieorganiczna, Warszawa 2002 (przykłady 1.-3.)
● K. Pigoń, Z. Ruziewicz, Chemia fizyczna, Warszawa 1993
● A. G. Whittaker, A. R. Mount, M. R. Heal, Chemia fizyczna, Warszawa 2012
● G. M. Barrow, Chemia fizyczna, Warszawa 1973
