logo chemia maturalna

Elektroliza

SPIS TREŚCI

1. Ogniwo elektrolityczne

Mam nadzieję, że pamiętasz, że w ogniwie galwanicznym (też : woltaicznym) biegła samorzutna reakcja redoks, która wytwarzała prąd. Teraz, w ogniwie elektrolitycznym, będzie wszystko odwrotnie. Będziemy chcieli wymusić (sztucznie), żeby zachodziła jakaś reakcja. W tym celu musimy użyć energii (przymusu), oczywiście elektrycznej.

Przykładowo reakcja syntezy wody jest samorzutna, natomiast rozkład wody jest czymś, co trzeba wymusić (reakcja niesamorzutna).

Synteza wodyRozkład wody
2H2 + O2 ⟶ 2H2O 2H2O ⟶ 2H2 + O2
Wytwarza (generuje)
prąd elektryczny.
Pochłania prąd
elektryczny.
Zachodzi w ogniwie
galwanicznym.
Zachodzi w ogniwie
elektrolitycznym
.
Porównanie ogniwa elektrolitycznego oraz galwanicznego

Czyli żeby przeprowadzić elektrolizę, potrzebujemy zewnętrznego źródła prądu (musimy ,,podłączyć do gniazdka”).

Elektroliza ma jednak ciekawe zastosowania, skoro możemy wymusić ,,nienormalne reakcje” , czyli takie które normalnie nie zachodzą. Przykładowo w skorupie ziemskiej znajduje się sporo metali, tylko niestety nie występują one w postaci samego metalu, tylko w jakichś związkach chemicznych, często tlenkach. Dzięki elektrolizie można taki tlenek rozłożyć na tlen i metal, otrzymując czysty metal.

Elektrolizę używa się także, aby ,,okryć” metalem jakiś przedmiot. Na przykład jak chcemy mieć srebrne łyżeczki, to wrzucamy je do elektrolizera, włączamy prąd i srebro będzie się osadzać na naszej łyżeczce.

2. Ogniwo elektrolityczne

Ogniwo elektrolityczne najłatwiej zrozumieć ,,wyprowadzając” je jakby z ogniwa galwanicznego, które już poznaliśmy. Bierzemy znane nam już ogniwo Daniela, w którym zachodzi sumaryczna reakcja :

Cu2+   + Zn ⟶ Zn2+ + Cu (➤ogniwo galwaniczne)

SEM tego ogniwa wynosi około 1,1 V. Jest to reakcja samorzutna. Nas teraz z kolei interesuje reakcja odwrotna! Chcielibyśmy żeby zaszła taka reakcja :

Zn2+ + Cu ⟶ Cu2+   + Zn (➤ogniwo galwaniczne)

Jak to zrobić? Należy wtedy przełamać przepływ elektronów z cynku do miedzi, czyli przełamać generowany potencjał równy 1,1 V. Jeśli zatem użyjemy zewnętrznego źródła prądu, które wygeneruje więcej niż 1,1 V to elektrony zostaną siłą zmuszone do przepływu w drugą stronę, powodując redukcję jonów cynku i utlenianie miedzi. Świat staje wtedy na głowie, a anoda staje się katodą i odwrotnie. Wynika to z naszej świętej definicji anody oraz katody, a więc miejsc, gdzie zachodzi utlenianie i redukcja (to nigdy się nie zmienia!)

Porównanie ogniwa galwanicznego oraz elektrolitycznego

W ogniwie elektrolitycznym chodzi w takim razie o to, aby przełamać prąd elektronów, który płynie w przeciwną stronę. To tak samo jakbyśmy płynęli pod prąd jakiejś rzeki – potrzebujemy określonej siły, żeby ten prąd przełamać, a ta siła jest zależna od tego jaka to rwąca rzeka czy może słabiutki strumyczek. Tak samo w elektrolizie będzie to zależało od tego jaka jest reakcja chemiczna.

Napięcie, które należy użyć do przeprowadzenia elektrolizy nazywamy potencjałem rozkładowym.

3. Znaki plus i minus się też zmieniają

Ogniwo
galwaniczne
Ogniwo
elektrolityczne
Katoda+
Anoda+
Znaki katody i anody w ogniwach elektrochemicznych, które dzielą się na galwaniczne i elektrolityczne

Reakcje, które zachodzą podczas elektrolizy będą opisane w osobnym dziale.

4. Z gazami jest trochę inaczej

W wyniku elektrolizy da się otrzymać gazy, typowo będą to halogenki (np. chlor) , ale także wodór i tlen. Załóżmy, że robimy elektrolizę wodnego roztworu chlorku sodu. Skoro jest to wodny roztwór, to oprócz kationów Na+ oraz anionów Cl znajdują się tam także cząsteczki wody.

Będziemy dokładniej o tym mówić w następnym rozdziale o reakcjach elektrolizy, ale nie będzie dla Ciebie niczym nowym to, że patrzymy po wartościach potencjałów standardowych co będzie się tworzyć na anodzie, a co na katodzie. W końcu po to właśnie były potencjały! Ok, to spisujemy wszystkie teoretycznie możliwe reakcje, które mogą zachodzić na anodzie i katodzie : woda może się utleniać albo redukować!

Co może być na katodzie?

2H2O + 2e ⟶ H2 + 2OH E° = − 0,41 V

lub Na+ + eー  ⟶  Na E° = − 2,71 V

Co może być na anodzie?

2H2O ⟶ O2 + 4H+ + 4e E° = 0,82 V

lub 2Clー  ⟶ Cl2 + 2e E° = 1,36 V

Ok, to teraz porównujemy potencjały. Jeśli chodzi o katodę, to patrzymy, że woda chętniej będzie ulegała redukcji (większy potencjał), więc na katodzie będzie elektroliza wody, powstanie wodór.

Na anodzie natomiast potencjał dla chloru jest wyższy, więc on bardziej by chciał się redukować, a mniej utleniać. Więc na anodzie też powinna być elektroliza wody, powinien powstawać tlen. Okazuje się, że tylko w połowie mamy rację. Na katodzie faktycznie powstaje wodór, ale na anodzie powstaje chlor. Jak to możliwe?!

Okazuje się, że aby zaszło utlenianie wody i powstał gaz (tlen) trzeba wyższego napięcia niż 0,82 V , który został podany. Wynika to z przyczyn kinetycznych oraz termodynamicznych (w skrócie : potrzeba więcej energii, aby uformować gaz), a ta dodatkowa ,,energia” nazywa się nadpotencjałem. Jeśli weźmiemy nadpotencjał pod uwagę, to w rzeczywistości potrzebne jest napięcie około 1,4 V , a to oznacza, że jednak łatwiej, aby powstał chlor!

Share on facebook
Share on twitter
Share on whatsapp
Share on email
SPIS TREŚCI
pinezka
Dodaj komentarz

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.

Mogą Cię zainteresować:

Koszyk

0
image/svg+xml

Brak produktów w koszyku.

Continue Shopping

Ta strona używa plików cookie, aby zapewnić Ci najlepsze doświadczenia.