Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.pl

Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu www.szkolnictwo.pl mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

SPIS TREŚCI Pojęcie „ elektrolizy” Elektrolizery a ogniwo galwaniczne Napięcie rozkładowe i nadnapięciePrzebieg procesów chemicznych na powierzchni elektrod Elektroliza wodnych roztworów kwasówElektroliza wodnych roztworów zasadElektroliza wodnych roztworów soliElektroliza stopionych soliI prawo Faraday’aII prawo Faraday’a Prawa Faradaya - zadania

W czasie elektrolizy w polu elektrycznym między elektrodami wędrują jony dodatnie (kationy) w kierunku katody połączonej z ujemnym biegunem źródła prądu, a jony ujemne (aniony) w kierunku anody połączonej z dodatnim biegunem źródła prądu.

Na granicy faz elektroda - elektrolit biegną reakcje utleniania (na anodzie) i redukcji (na katodzie) jonów elektrolitów.

Podczas elektrolizy zachodzą procesy odwrotne do przemian zachodzących w czasie pracy ogniwa (przepływ prądu wywołuje reakcje elektrodowe).

ELEKTROLIZA to proces, w którym przepływ prądu elektrycznego przez roztwór elektrolitu (lub stopiony elektrolit) wymusza reakcje chemiczne.

Elektrolizer to urządzenie składające się z dwóch przewodników metalicznych, które są zanurzone w przewodniku jonowym. Przewodniki metaliczne (elektrody) są podłączone do źródła prądu stałego.

OGNIWO GALWANICZNE ELEKTROLIZER

Reakcja utlenianiaCu → Cu2+ + 2 e-

Reakcja redukcjiSn2+ +2e-→ Sn

Reakcja utlenianiaSn → Sn2+ + 2 e-

Reakcja redukcjiCu2+ +2e-→ Cu

ANODA (-)

KATODA (+)

ANODA (+)

KATODA (-)

OGNIWO GALWANICZNE ELEKTROLIZER

Samorzutna reakcja chemiczna generuje różnicę potencjałów

Różnica potencjałów wymusza reakcje, które nie mogą przebiegać samorzutnie

Anoda – znak „ -” – proces utleniania Anoda – znak „+” – proces utleniania

Katoda – znak „ + „ – proces redukcji Katoda – znak „ - „ – proces redukcji

Katoda: oks1 + n1e red1 | n2

Anoda: red2 oks2 + n2e | n1

--------------------------------------------------n2 oks1 + n1 red2 n2 red1 + n1 oks2

Schemat obwodu do elektrolizy Katoda(-) jest elektrodą, na której zachodzi proces redukcji (pobierania elektronów z elektrody), anoda(+) –elektrodą, na której zachodzi utlenianie (dostarczanie elektronów do elektrody).

Warunkiem koniecznym, aby mógł zachodzić proces elektrolizy, jest przyłożenie do elektrod odpowiednio dużej różnicy potencjałów.Przyłożone zewnętrzne napięcie musi mieć wartość przewyższającą SEM ogniwa, jakie tworzą elektrody elektrolizera.

NAPIĘCIE ROZKŁADOWE (Ur ) to najmniejsze napięcie konieczne do rozpoczęcia elektrolizy.

Różnicę pomiędzy napięciem rozkładowym i SEM odpowiedniego ogniwa nazywamy NADNAPIĘCIEM ELEKTROLIZYNadnapięcie elektrolizy zaznaczamy symbolem η ( eta)

SEMUηηSEMU rr

Wartość nadnapięcia dla danej reakcji elektrodowej zależy od:materiału elektrodrodzaju elektrolitutemperatury

Przebieg procesów chemicznych na powierzchni elektrod zależy od:A.Własności chemicznych składników elektrolituB.Stężeń jonówC.Rodzaju elektrodD.Różnicy potencjałów między elektrodami

Uproszczone reguły pozwalają przewidzieć kolejność rozładowania jonów w roztworach wodnych elektrolitów o stężeniach jonów zbliżonych do 1 mol/dm3.

KATODA (-)Kolejność redukcji jonów jest z reguły zgodna z szeregiem potencjałów standardowych półogniw.1. Najpierw redukują się kationy metali mniej aktywnych od glinuMem+ + me --> MeNajważniejsze wyjątki od tych reguł:Rozładowywanie kationu Na+ na elektrodzie rtęciowejRównoczesne wydzielanie wodoru i metalu w środowisku kwaśnym2. Po metalach mniej aktywnych redukują się jony H+ lub cząsteczki H2O w zależności od środowiska / wydziela się wodóra.W śr kwasowym: 2H+ + 2e -- > H2↑b.W roztworach soli litowców, berylowców, glinu: 2H2O + 2e H2 + 2OH-

ANODA (+)1. Najpierw utleniają się aniony kwasów beztlenowych i ich soli / wydziela się gazowy niemetal.2X- - 2e -- > X2

2. W następnej kolejności utleniają się:a.W roztworach wodorotlenków jony OH- / wydziela się tlen:4OH- - 4e -- > O2 + 2H2Ob.W roztworach kwasów tlenowych i ich soli utleniają się cząsteczki H2O / wydziela się tlen2H2O – 4e -- > O2 + 4H+

ELEKTROLIZA WODNYCH ROZTWORÓW KWASÓW

Kwasy beztlenowe

2eX2X)A(

H2e2H)K(02

02

Stężenie jonów wodorowych maleje, więc pH roztworu wzrasta

eHOOH)A(

H2e2H)K(

22

02

442

A (+) Stężenie jonów wodorowych wzrasta, więc pH maleje

Kwasy tlenowe

PRZYKŁAD HCl K(-) : 2H+ +2e --> H2; A (+) 2Cl- -- > Cl2 + 2eSumarycznie : 2HCl -- > H2 + Cl2

PRZYKŁAD

H2SO4 -- >2H+ + SO42-

K(-) 2H+ + 2e -- > H2↑ ; A (+) H2O – 2e -- >1/2 O2 + 2H+

Sumarycznie: H2O -- > H2 + ½ O2

Elektrolizawody

ELEKTROLIZA WODNYCH ROZTWORÓW ZASAD

eOOHOH)A(

2OHH2eO2H)K(

22

22

424

Metale znajdujące się na początku szeregu napięciowego ( do glinu włącznie) nie ulegają redukcji na katodzie.Na katodzie zachodzi redukcja wody. Wydziela się gazowy wodór. PH roztworu wzrastaNa anodzie zachodzi utlenienie jonów OH-. Wydziela się gazowy tlen. pH roztworu maleje

PRZYKŁAD

NaOH NaOH -- > Na+ + OH-

K (-) 2H2O + 2e H2 + 2OH- ; Wzrost pH wokół katody

A(+) 2OH- - 2e -- >1/2 O2 + H2O Sumarycznie : H2O --> H2 + ½ O2 2H2O 2H2 + O2

Elektrolizawody

ELEKTROLIZA WODNYCH ROZTWORÓW SOLI

KATODA(-)Na katodzie rozkładają się metale leżące za glinem w szeregu elektrochemicznym, jeśli nie ma takich jonów to rozkłada się woda

2H2O +2e -> H2 +2OH-

Elektroliza wodnego roztworu NaClElektroliza wodnego roztworu NaCl prowadzi do otrzymania chloru i wodorotlenku sodowego.

ANODA(+)Najpierw utleniają się aniony kwasów beztlenowych / wydziela się gazowy niemetal.2X- - 2e -- > X2

Aniony kwasów beztlenowych wydzielają się w kolejności: S2-, I-, Br-, Cl- ( F- nie daje się wydzielić z roztworu wodnego)W roztworach kwasów tlenowych i ich soli utleniają się cząsteczki H2O/wydziela się tlen

H2O – 2e -- >1/2 O2 + 2H+

PRZYKŁAD

222

2

22

HCl2OH2NaO2H2NaCl

Cl2e2Cl)A(

2OHH2eO2H)K(

Elektroliza wodnego roztworu azotanu(V) srebra prowadzona na elektrodach grafitowych. Określ jakie produkty wydzielą się na elektrodachAgNO3 = Ag+ + NO3

-

Katoda(-):Ag+ ; H2OAnoda(+): NO3

- H2O

PRZYKŁAD

PRZYKŁAD

Przebieg elektrolizy siarczanu(VI)sodu Katoda(-):Na+ ; H2OAnoda(+): SO4

2- , H2O

22

2-

2

ClCu2Clsum..Cu

Cl2e2Cl)A(

Cu2eCu)K(

4HO4eO2H)A(

eA)K(

22

Agg

PRZYKŁAD

Przebieg elektrolizy chlorku miedzi(II) Katoda(-):Cu2+; H2OAnoda(+): Cl-, H2O

222

22

22

O2HOsum..2H

4HO4eO2H)A(

2|2OHH2eO2H)K(

Katoda(-): 2Na+ + 2e -- > 2Na Anoda(+): 2Cl- -- >Cl2 + 2eSumarycznie : 2NaCl 2Na + Cl2

ELEKTROLIZA STOPIONYCH SOLI

Elektroliza zachodzi również w przypadku stopionych soli i wodorotlenków.W wyniku wysokiej temperatury sieć krystaliczna zostaje zniszczona, dzięki czemu możliwy staje się swobodny ruch jonów w kierunku elektrod i zachodzenie reakcji elektrodowych.

PRZYKŁAD

Stopiony wodorotlenek sodu NaOH

O2HO4e)4OHA(

4Na4e)4NaK(

2|OHO2e2OH)A(

2|2Na2e2Na)K(

22

2221

Stopiony chlorek ołowiu(II)

22

2

2

ClPbPbCl

Cl2e2Cl)A(

Pb2ePb)K(

Jeżeli elektrolizie poddajemy kilka kationów o potencjałach K1, K2 i K3 i anionów o potencjałach wydzielania A1, A2 i A3 :

---|-----|-----|--------------|-----|-----|--- potencjał wydzielania, V

K1 K2 K3 A1 A2 A3

na katodzie na anodzie

wydzieli się K3 wydzieli się A1

Wydzielają się więc kationy K3 i aniony A1, tj. jony najbliżej siebie położone.

Jeżeli roztwór poddawany elektrolizie zawiera kilka kationów M1, M2, ... i kilka anionów A1, A2, ..., to rozładowaniu ulegają:

na katodzie kation o najwyższym potencjale redukcji katodowejna anodzie anion o najniższym potencjale utleniania anodowego

Kolejnośćutleniania

anodowego

Kolejnośćutleniania

anodowego

I PRAWO FARADAY’AMasa wydzielonej substancji na elektrodach podczas elektrolizy jest proporcjonalna do natężenia prądu i czasu trwania elektrolizy

kItkqm

q – ładunek [ C] I – natężenie prądu [A] t – czas [s]k –równoważnik elektrochemiczny [kg/C] Równoważnik elektrochemiczny równy jest masie substancji wydzielonej na elektrodzie przy przepływie ładunku 1C.Współczynnik proporcjonalności k jest stały i charakterystyczny dla danego procesu elektrodowego.Wartości równoważników elektrochemicznych wyznacza się doświadczalnie.

II PRAWO FARADAY’A

Drugie prawo Faradaya określa wielkość elektrochemicznego równoważnika k.

Stosunek masy molowej M substancji wydzielającej się na elektrodzie do iloczynu równoważnika elektrochemicznego k i liczby ładunkowej n reakcji elektrodowej dla jednego mola tej substancji jest wielkością stałą

kn

MF

F = 96500 [C/mol = A ∙ s / mol ]1F – ładunek 1 mola elektronów !!

Równanie elektrolizy to zależność łącząca oba prawa Faradaya

tImtIkm

kFnMFn

M

2

1

PRZYKŁAD

Oblicz masę miedzi wydzieloną na katodzie podczas elektrolizy roztworu CuCl2, jeśli przez elektrodę przepłynął ładunek 3 FDane: q = 3 F = 3 ∙ 96500 C

m = ?Mcu = 63,5g/mol 2

2

22

2

CleClA

CueCuK

)(

)(

Ułożenie proporcji:

95,3g2

63,5g3x

2

3

63,5g

x

xg3F

63,5g2F

Cu2eCu2

2n

PRZYKŁAD

Dane: I = 2At = 300sMAg = 108g/molF 96500C/molm = ?

Oblicz masę srebra wydzielonego na katodzie, jeśli przez elektrodę przepływał prąd o natężeniu 2A w czasie 300s

K(-) Ag+ +e Ag n=11.Obliczamy ładunek jaki przepłynął przez elektrodęq = I∙ t q = 2A∙300s = 600C2. Obliczamy ładunek w faradach q = 600/96500 F = 0,0062 F3. Obliczamy masę srebra:

0,67g_Ag1F

0,0062F108gx

x0,0062F

108g1F

PRZYKŁAD

II sposób

Dane: I = 2At = 300sMAg = 108g/molF 96500C/molm = ?

Ag 0,67g_m

300s2A96500C/mol1

108g/molm

tImFn

M

Oblicz ilość wydzielonego na katodzie potasu (w gramach),jeżeli na anodzie wydzieliło się w czasie elektrolizy stopionego KOH 11,2dm3 tlenu (w przeliczeniu na warunki normalne)Dane: Vo2 = 11,2 dm3; MK = 39,1g/mol; mK = ?Procesy: Katoda: 4K+ +4e 4K

Anoda 4OH- -4e O2 + 2H2O22,4 dm3 O2 – 1 mol O2

11,2 dm3 O2 – 0,5 mola O2

4K+ +4OH- 4K + O2+2H2O4 mole K – 1 mol O2 m = 2 mole ∙ 39,1 g/mol = 78,2 gX moli K - 0,5 molaO2

Elektroliza – jest procesem wymuszonym, który przebiega w przewodniku elektrolitycznym, gdzie nośnikami ładunków elektrycznych są zarówno kationy jak i aniony. Ruch ładunków elektrycznych jest wymuszony poprzez podłączenie zewnętrznego źródła prądu stałego do elektrod zanurzonych w ciekłym przewodniku jonowym. Elektrolizę przeprowadza się w elektrolizerach. W elektrolizerach w odróżnieniu od ogniwa, elektrody znajdują się w jednym naczyniu zawierającym roztwór jednego elektrolitu.

Katoda(-) jest elektrodą połączoną z ujemnym biegunem źródła prądu, Zachodzi na niej proces redukcji (pobierania elektronów z elektrody) Anoda(+) jest elektrodą połączoną z dodatnim biegunem źródła prąduZachodzi na niej proces utleniania (dostarczanie elektronów do elektrody).

Równanie redukcji wody w procesie elektrolizy:2H₂O + 2e -> H₂ + 2OH | x 2⁻ ⁻Równanie utleniania wody w procesie elektrolizy:2H₂O -> O₂ + 4e + 4H⁻ ⁺Równanie sumaryczne: 2H2O -> 2H2 + O2

F = 96500 C/mol 1F – ładunek 1 mola elektronów kn

MF

Bibliografia„Chemia 1” M. Litwin„ Repetytorium od Ado Z” M. Klimaszewska„ Chemia 3_zbiór zadań” S. Hejwowska

http://encyklopedia.pwn.pl/www.studport.ch.pwr.wroc.pl/studport/files/1174