Temat: ELEKTROLIZA WODNYCH ROZTWORÓW ELEKTROLITÓW

Przebiegająca w ogniwie galwanicznym reakcja chemiczna (suma dwu reakcji elektrodowych zachodzących w obu półogniwach) powoduje przepływ prądu elektrycznego przez obwód zewnętrzny l<tcz4cy elektrody ogniwa. Podczas pracy ogniwa elektrony płyną od elektrody o potencjale niższym do elektrody o potencjale wyższym. Co się stanie, jeżeli do elektrod metalicznych, np. platynowych, zanurzonych w roztworze elektrolitu lub innego przewodnika jonowego (stopionej soli), podleczy się zewnętrzne źródło prądu stałego o odpowiednim napięciu? Na elektrodach zajdą wtedy procesy odwrotne do reakcji elektrodowych przebiegających w ogniwie galwanicznym. Określane są one mianem elektrolizy. Elektroliza jest to zespół przemian chemicznych zachodzących na elektrodach pod wpływem prądu stałego przepływającego przez elektrolit.

DOŚWIADCZENIE

Elektroliza wodnego roztworu kwasu solnego Uwaga! Doświadczenie wykonaj ostrożnie ze względu na produkty reakcji. Aparat Hofmanna zaopatrzony w elektrody węglowe napełnij roztworem kwasu solnego o stężeniu 1 mol/dm³. Do zacisków podłącz źródło prądu stałego (akumulator lub prostownik) o napięciu 8 - 12 V. Obserwuj zjawiska zachodzące na elektrodach. Zbierz po około 10 cm³ gazów w obu ramionach aparatu. Gazem, znajdującym się w rurce nad elektrodą połączoną z ujemnym biegunem źródła prądu, napełnij odwróconą do góry dnem probówkę. Następnie wylot probówki skieruj do góry, równocześnie zbliżajcie do niego zapalona zapałkę. Co obserwujesz? Zbadaj ostrożnie zapach gazu zebranego w drugim ramieniu aparatu. Czy ma on jakąś barwę? Jakie produkty powstały na elektrodach?

W doświadczeniu, wskutek przepływu prądu przez wodny roztwór kwasu solnego, nastąpiła elektroliza kwasu powodująca powstanie produktów gazowych na elektrodach.

W elektrolizie, odwrotnie niż w ogniwach galwanicznych, elektroda połączona z dodatnim biegunem źródła prądu to anoda, a elektroda ujemna to katoda. Anoda jest zawsze tą elektrodą, na której zachodzi proces utleniania, a katoda tą, na której zachodzi proces redukcji.

Pod wpływem przyłożonego z zewnątrz napięcia na anodzie wydzielił się chlor, a na katodzie wodór. Proces polega na wędrówce obecnych w roztworze jonów H⁺ do katody, gdzie następuje ich redukcja do atomów wodoru, a te łącząc się, tworze cząsteczki:

K(-): 2H⁺ + 2e^- → H₂⁰ - redukcja

Aniony Cl^- wędruje do anody, gdzie po oddaniu elektronów, czyli po utlenieniu, tworzą atomy chloru, które łącząc się, dają cząsteczki. Na anodzie wydziela się gazowy chlor o charakterystycznym zapachu i żółtozielonej barwie:

A(+): 2Cl^- + 2e^- → Cl₂⁰ utlenianie

Sumaryczna reakcję przebiega j ;ic<i w procesie elektrolizy HCl przedstawia równanie:

2H⁺ + Cl^- → H₂ + Cl₂

Jak z tego równania wynika, procesy zachodzące podczas elektrolizy roztworu HCl są dokładnym odwróceniem procesów przebiegających w ogniwie wodorowo - chlorowym:

H₂ + Cl₂ → 2H⁺ + Cl^-

Różnica polega na tym, że w ogniwie reakcje przebiegają samorzutnie, a powstające w nich elektrony wędrują w obwodzie zewnętrznym, podczas gdy w elektrolizerze dostarczane z zewnątrz elektrony wymuszają przebieg reakcji w kierunku przeciwnym. Warunkiem zachodzenia elektrolizy jest przyłożenie zewnętrznego napięcia o wartości przewyższającej SEM ogniwa, jakie tworzą elektrody elektrolizera. Najmniejsza wartość napięcia konieczna do rozpoczęcia elektrolizy nazywa się napięciem rozkładowym U . Różnica pomiędzy SEM odpowiedniego ogniwa i napięciem  rozkładowym nosi nazwę nadnapięcia elektrolizy η (czytaj: eta):

U_r = SEM + η

Wartość nadnapięcia dla danej reakcji elektrodowej zależy do materiału elektrod, rodzaju ich powierzchni (porowate czy gładkie), rodzaju elektrolitu i temperatury. Te same czynniki, a także pH elektrolitu i gęstość prądu wpływa na kolejność wydzielania się na elektrodach produktów elektrolizy. Uproszczone reguły pozwalają przewidzieć kolejność rozładowywania jonów  w roztworach wodnych elektrolitów o stężeniach jonów zbliżonych do 1 mola/dm³.

KATODA(-):

Kolejność redukcji jonów w procesie elektrolizy jest na ogól zgodna z szeregiem potencjałów standardowych półogniw.

1. Najpierw redukują się kationy metali mniej aktywnych od glinu, na katodzie wydziela się metal:

M^z+ + ze^- → M⁰

Uwaga! Na katodzie rtęciowej mogą redukować się kationy metali lekkich. W środowisku kwasowym może równocześnie wydzielać się gazowy wodór.

2. Po metalach mniej aktywnych redukują się jony H⁺ lub cząsteczki H₂O, w zależności od środowiska:

• w roztworach kwasów:

2H⁺_(aq) + 2e^- → H_2(g)

• w wodnych roztworach soli litowców, berylowców lub glinu:

2H₂O_(c) + 2e^- → 2H_2(g) + 2OH^-

na katodzie wydziela się wodór.

ANODA(+).

W procesie utleniania anionów na anodzie wydzielają się przeważnie produkty gazowe.

1. Najpierw utleniają się aniony kwasów beztlenowych i ich soli:

2X^-_(aq) - 2e^- → X₂⁰

Wówczas no anodzie wydziela się gazowy niemetal, np. chlor.

2. W następnej kolejności utleniają się jony OH^- lub cząsteczki H₂O w zależności od środowiska:

• w roztworach wodorotlenków metali:

2OH^-_(aq) - 2e^- → H₂O + 0,5O_2(g)

w roztworach kwasów tlenowych i ich soli:

H₂O_(c) - 2e^- → 0,5O_2(g) + 2H⁺

Na anodzie wydziela się wówczas gazowy tlen.

Uwaga! Równocześnie z reakcja utleniania anionu może przebiegać proces roztwarzania anody. Nie dotyczy to jedynie elektrod platynowych i grafitowych.

DOŚWIADCZENIE

Elektroliza wodnych roztworów chlorku i wodorotlenku sodu.

Elektrolizer napełnij wodnym roztworem chlorku sodu z kilkoma kroplami fenoloftaleiny. Połącz elektrody ze źródłem prądu stałego, np. płaska bateria 4,5 V, i prowadź elektrolizę aż do zebrania w probówkach po około 10 cm³gazów. Zbadaj, jakie to gazy. Jak barwi się roztwór w pobliżu katody  Wyjaśnij swoje obserwacje. Napisz równania zachodzących reakcji elektrodowych i sumaryczne równanie elektrolizy, Podaj wyjaśnienie wyników doświadczenia. Analogicznie przeprowadź elektrolizę wodnego roztworu wodorotlenku sodu (bez używania fenoloftaleiny).

Podczas elektrolizy wodnego roztworu NaCl na katodzie wydziela się wodór, a na anodzie chlor. W pobliżu katody roztwór przyjmuje zabarwienie malinowe, co świadczy o jego zasadowym odczynie. Przebieg elektrolizy wodnego roztworu NaCl można wyjaśnić następująco: W roztworze wodnym
soli znajdują się jony Na⁺ i Cl^- oraz H⁺ (jako H₃O⁺) i OH^-. Kationy Na+ i H+ podążają do katody, a aniony Cl- i OH- do anody (rysunek).

Elektroliza wodnego roztworu NaCl

Dla uproszczenia przyjmujemy, że na elektrodach może ulegać rozładowaniu tylko jeden rodzaj jonów. Zgodnie więc z podanymi regułami, na katodzie - będzie to H⁺, a na anodzie - jon Cl^-:

K(-): 2H₂O_(c) + 2e^- → H_2(g) + 2OH^-

A(+): 2Cl^- - 2e^- → Cl₂⁰

Sumarycznie:

2Cl^- + 2H₂O_(c) → H₂ + C₂ + 2OH^-

W roztworze wodnym NaOH znajdują się jony: Na+, H+ (jako H3O+) i OH-. Jony Na⁺ i H⁺ podążają do katody, a jony OH^- do anody. Podczas elektrolizy wodnego roztworu NaOH na katodzie tworzy się gazowy wodór, na analogicznie jak w wypadku NaCl, a na anodzie gazowy tlen. W pobliżu katody gromadzą się jony 2OH^-, powodując odczyn zasadowy roztworu. Zachodzą, procesy elektrodowe:

K(-): 2H₂O_(c) + 2e^- → H_2(g) + 2OH^-

A(+): 2OH^- - 2e^- → 0,5O_2(g) +H₂O

Po dodaniu stronami:

2H₂O_(c) + 2OH^-  → H_2(g) + 2OH^- + 0,5O_2(g) + H₂O

Sumarycznie:

2H₂O_(c) → 2H_2(g) + O_2(g)

 

DOŚWIADCZENIE

Elektroliza wodnego roztworu siarczanu(VI) miedzi(II).

W wodnym roztworze siarczanu(VI) miedzi(II) znajdującym się w elektrolizerze zanurz dwie czyste elektrody węglowe, po czym przepuść prąd elektryczny o natężeniu 1A Obserwuj procesy zachodzące na elektrodach. Po upływie 5 min wyjmij elektrody. Co obserwujesz na katodzie? Zapisz równania reakcji elektrodowych i sumaryczne równanie reakcji zachodzącej w elektrolizerze.

Elektroliza wodnych roztworów kwasów tlenowych, wodorotlenków metali alkalicznych oraz soli tych metali z kwasami tlenowymi prowadzi do wydzielenia się wodoru na katodzie i tlenu na anodzie, czyli do rozkładu wody na pierwiastki. Z tego względu taki proces nazywa się często elektrolizą wody. Podczas elektrolizy wodnego roztworu CuSO₄, na katodzie wydzieliła się metaliczna miedź, a na anodzie powstał gazowy tlen. Na elektrodach zachodzą procesy:

K(-): Cu²⁺ + 2e^- → Cu⁰

 

A(+): H₂O - 2e^- → 0,5O₂ + 2H⁺

Po dodaniu stronami:

Cu²⁺ + H₂O → Cu + 0,5O₂ + 2H⁺

Sumarycznie:

2Cu²⁺ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 4H⁺

Jak wynika z równania reakcji anodowej, roztwór wokół tej elektrody staje się kwasowy, bo zwiększa się w nim liczba jonów H⁺. Należy zaznaczyć, że wszystkie opisane procesy elektrolizy przeprowadzono przy zastosowaniu elektrod obojętnych, które nie brały udziału w procesach elektrodowych.

Elektroliza wodnego roztworu CuSO₄.