Jak napisać reakcje elektrolizy ?

Chemia fizyczna i analityczna, Elektrochemia

1. Reakcje elektrolizy to jedna z ważniejszych umiejętności

Patrząc na zadania maturalne, to faktycznie reakcje elektrolizy pojawiają się bardzo często. Dlatego musimy to wszystko zebrać do jednej kupy i mieć podsumowane z podziałem na wszystkie możliwości, które możemy dostać na maturze.

Z poprzedniego postu wiemy, że elektroliza to po prostu ogół reakcji zachodzących ze względu na to, że nastąpił przepływ prądu elektrycznego przez elektrolit

2. Reakcje elektrolizy stopionych związków

To jest najprostszy, najprzyjemniejszy przypadek. Samo słowo ,,topnienie” raczej powinno nam się kojarzyć z wysoką temperaturą. I faktycznie, w pierwszym etapie pod wpływem wysokiej temperatury następuje kryształ związku jonowego topnieje i powstaje ciecz jonowa.

Cóż to za wynalazek, ta ciecz jonowa? To jest taka substancja, która składa się tylko z jonów, a dla nas co ważniejsze, nie ma tam po prostu wody! Bo inaczej, woda również może ulegać elektrolizie, utleniać się lub redukować, a tutaj skoro jej nie ma, to nie będzie nam przeszkadzać.

Czyli mamy jakiś stopioną sól, powiedzmy KCl, który nam dysocjuje (jest to dysocjacja termiczna) :

KCl ⟶ K⁺ + Cl^ー

Potem do naczynia, w którym znajdują się te jony wkładamy elektrody. Kationy podążają do katody i na niej ulegają redukcji do anody podążają aniony, na której ulegają utlenieniu.

(Katoda) : K⁺ + 1e ⟶ K

(Anoda) : 2Cl^ー ⟶ Cl₂ + 2e^ー

Jeśli tylko będziesz pamiętać, że na anodzie zawsze jest utlenianie, a na katodzie zawsze redukcja to musisz sobie poradzić!
Cytaty elektrochemicznych mądrości.

To ćwiczymy. Napiszmy równania zachodzące na katodzie (K) oraz anodzie dla stopionych : CaO, AgCl, NaBr oraz Al₂O₃ .

Związek	Anoda	Katoda
CaO	2O^2ー⟶ O₂ + 4e^ー	Ca²⁺ + 2e^ー⟶ Ca
AgCl	2Cl^ー⟶ Cl₂ + 2e^ー	Ag⁺ + e^ー⟶ Ag
NaBr	2Br^ー⟶ Br₂ + 2e^ー	Na⁺ + e^ー⟶ Na
Al₂O₃	2O^2ー⟶ O₂ + 4e^ー	Al³⁺ + 3e^ー⟶ Al

Elektroliza stopionych związków

Sumaryczna reakcja jest natomiast rozpadem cząsteczki na atomy/cząsteczki :

2CaO ⟶ 2Ca + O₂

2AgCl ⟶ 2Ag + Cl₂

2NaBr ⟶ 2Na+ Br₂

2Al₂O₃ ⟶ 4Al + 3O₂

Przy okazji warto jeszcze porównać dwa rodzaje dysocjacji, które już znamy!

Dysocjacja elektrolityczna	Dysocjacja termiczna (termoliza)
$HCl \xrightarrow{H_{2}O} H^{+} + Cl^{-}$	$2NaBr \xrightarrow{T} 2Na + Br_{2}$
Rozpad cząsteczki na jony pod wpływem rozpuszczalnika (najczęściej wody).	Rozpad cząsteczki na atomy/cząsteczki pod wpływem temperatury.

Porównanie dysocjacji elektrolitycznej oraz termicznej

3. Reakcje elektrolizy wodnych roztworów elektrolitów

W pierwszym etapie pod wpływem wody następuje dysocjacja danego związku. Czyli teraz mamy dysocjację elektrolityczną, a poprzednio była termiczna (pod wpływem temperatury).

KCl ⟶ K⁺ + Cl^ー

Następnie do naczynia w którym znajdują się jony wkładamy elektrody. Kationy podążają do katody, a aniony do anody. Niestety, teraz w roztworze znajduje się już woda, które może brać udział w elektrolizie i być w centrum naszej uwagi w zadaniach. Kolejność rozładowywania jonów w wodnych roztworach elektrolitów.

Dlatego też należy patrzeć na wartości potencjałów standardowych, żeby zadecydować co się nam będzie ,,elektrolizować”. Można to ująć w pewien algorytm :

Co będzie na katodzie?	Katoda	Anoda	Co będzie na anodzie?
Krok 1 : na katodzie najpierw metale o wyższym potencjale od glinu	Mⁿ⁺ + ne^ー ⟶ M	2X^ー ⟶ X₂ + 2e^ー X = F, Cl, Br, I	Krok 1 : najpierw aniony kwasów beztlenowych (najsilniejsze reduktory)
Krok 2 : potem jony wodorowe (środowisko kwaśne)	2H⁺ + 2e^ー ⟶ H₂	4OH^ー ⟶ 2H₂O + O₂ + 4e^ー	Krok 2 : potem jony wodorotlenowe
Krok 3 : potem woda	2H₂O + 2e^ー ⟶ H₂ + 2OH^ー	2H₂O ⟶ O₂ + 4H⁺ + 4e^ー	Krok 3 : potem woda

Algorytm rozwiązywania zadań, w których trzeba napisać reakcje elektrolizy

Algorytm rozwiązywania zadania polega na tym, że sprawdzamy jakie jony znajdują się w roztworze po dysocjacji a następnie a następnie porównujemy je z kolejnością w tabeli. W przypadku braku danego jonu przechodzimy niżej aż dotrzemy do wody, która jest na pewno w roztworze^[1].

Zacznijmy od soli kwasów beztlenowych :

Sól kwasu beztlenowego, gdzie metal jest mniej aktywny od glinu (ma wyższy potencjał)	Sól kwasu beztlenowego, gdzie metal jest aktywniejszy od glinu (ma niższy potencjał)
CuBr₂	NaI
K: Cu²⁺ + 2e^ー⟶ Cu A: 2Br^ー⟶ Br₂ + 2e^ー	K: 2H₂O + 2e^ー ⟶ H₂ + 2OH^ー A: 2I^ー⟶ I₂ + 2e^ー
ZnCl₂	MgCl₂
K: Zn²⁺ + 2e^ー⟶ Zn A: 2Cl^ー⟶ Cl₂ + 2e^ー	K: 2H₂O + 2e^ー ⟶ H₂ + 2OH^ー A: 2Cl^ー⟶ Cl₂ + 2e^ー

Elektroliza wodnych roztworów soli kwasów beztlenowych

To teraz czas na sole od kwasów tlenowych :

Sól kwasu tlenowego, gdzie metal jest mniej aktywny od glinu (ma wyższy potencjał)	Sól kwasu tlenowego, gdzie metal jest aktywniejszy od glinu (ma niższy potencjał)
AgNO₃	NaNO₃
K: Ag⁺ + e^ー⟶ Ag A: 2H₂O ⟶ O₂ + 4H⁺ + 4e^ー	K: 2H₂O + 2e^ー ⟶ H₂ + 2OH^ー A: 2H₂O ⟶ O₂ + 4H⁺ + 4e^ー
Fe₂(SO₄)₃	BaSO₄
K: Fe³⁺ + e^ー⟶ Fe²⁺ A: 2H₂O ⟶ O₂ + 4H⁺ + 4e^ー	K: 2H₂O + 2e^ー ⟶ H₂ + 2OH^ー A: 2H₂O ⟶ O₂ + 4H⁺ + 4e^ー

Elektroliza wodnych roztworów soli kwasów tlenowych

Teraz wodorotlenki :

Wodorotlenki, gdzie metal jest aktywniejszy od glinu (ma niższy potencjał)	Wodorotlenki, gdzie metal jest mniej aktywny od glinu (ma wyższy potencjał)
LiOH	Cu(OH)₂
K: 2H₂O + 2e^ー ⟶ H₂ + 2OH^ー A: 4OH^ー ⟶ 2H₂O + O₂ + 4e^ー	Problem jest taki, że te wodorotlenki są trudno rozpuszczalne. Takich przykładów nie powinno być na maturze.

Elektroliza wodnych roztworów wodorotlenków

I zostały nam jeszcze kwasy.

Kwasy tlenowe	Kwasy beztlenowe
HNO₃	HCl
K: 2H⁺ + 2e^ー⟶ H₂ A: 2H₂O ⟶ O₂ + 4H⁺ + 4e^ー	K: 2H⁺ + 2e^ー⟶ H₂ A: 2Cl^ー⟶ Cl₂ + 2e^ー
H₂SO₄	HBr
K: 2H⁺ + 2e^ー⟶ H₂ A: 2H₂O ⟶ O₂ + 4H⁺ + 4e^ー	K: 2H⁺ + 2e^ー⟶ H₂ A: 2Br^ー⟶ Br₂ + 2e^ー

Elektroliza wodnych roztworów kwasów tlenowych oraz beztlenowych

I też na koniec odwieczne pytanie – co z solami glinu? Jeśli mamy roztwór soli glinu to na katodzie będzie redukcja wody, a nie glinu. Jeśli mamy stopioną sól, gdzie wody po prostu nie ma, to na katodzie wtedy będzie się redukował glin.

Roztwór soli glinu	Stopiona sól glinu
AlCl₃ (aq)	(stopiony) AlCl₃
K: 2H₂O + 2e^ー ⟶ H₂ + 2OH^ー A: 2Cl^ー⟶ Cl₂ + 2e^ー	K: Al³⁺ + 3e^ー⟶ Al A: 2Cl^ー⟶ Cl₂ + 2e^ー

Elektroliza wodnych roztworów kwasów tlenowych oraz beztlenowych

4. Reakcje elektrolizy, kiedy jest mieszanina

Mam nadzieję, że zdążyłeś się już zorientować, że potencjał standardowy stoi w absolutnym centrum elektrochemii. Również na podstawie wartości potencjałów standardowych będziemy oceniać co będzie ulegać elektrolizie w roztworze, gdzie znajduje się mieszanina anionów i kationów! Zatem szybkie odświeżenie :

➦ Duży (dodatni) potencjał oznacza, że coś chce się redukować, a nie chce się utleniać.

➦ Mały (bardziej ujemny) potencjał oznacza, że coś nie chce się redukować, czyli chce się utleniać.

Załóżmy, że mamy mieszaninę stopionych soli KCl oraz NaCl. Patrzymy na wartości potencjałów standardowych^[2] :

Na⁺ + e^ー⟶ Na

K⁺ + e^ー⟶ K

E° = − 2,71 V

E° = − 2,92 V

Jak widać po wartościach potencjałów, to sód bardziej chciałby się redukować, więc to on by się wydzielał na katodzie. Na anodzie natomiast powstawałby chlor.

K: Na⁺ + e^ー⟶ Na
A: 2Cl^ー⟶ Cl₂ + 2e^ー

Teraz weźmy stopione sole NaBr oraz NaCl. Postępujemy analogicznie. Patrzymy na wartości potencjałów standardowych^[2] :

Cl₂ + 2e^ー⟶ 2Cl^ー

Br₂ + 2e^ー⟶ 2Br^ー

E° = 1,36 V

E° = 1,09 V

Jak widać po wartościach potencjałów, to chlor bardziej chciałby się redukować, ale to jeszcze nam nie wystarcza, bo przecież na anodzie zachodzi utlenianie, więc też na to musimy sobie ,,przetłumaczyć” potencjał. Skoro chlor bardziej chciałby się redukować, to znaczy, że mniej chciałby się utleniać. W takim razie na anodzie wydzieli się brom!

K: Na⁺ + e^ー⟶ Na
A: 2Br^ー⟶ Br₂ + 2e^ー

^[1]Kolejność procesów elektronowych jest uwarunkowana zarówno czynnikami termodynamicznymi (potencjały elektrod) jak i kinetycznymi (energię aktywacji – wyrażane przez nadpotencjały). Stąd też na katodzie i anodzie mogą równocześnie zachodzić więcej niż jeden rodzaj procesu utlenienia/redukcji

^[2]Tak naprawdę wartości potencjałów standardowych, które mamy podane w tabelach dotycząc wodnych roztworów, a nie stopionych soli, ale dobrze one z nimi korelują, więc można się na tym wzorować na maturze.

4 komentarzy

Kacper 3 lata temu

Nie rozumiem, czemu wszędzie porównujemy potencjały do glinu? Czy jest on jakimś wyznacznikiem?

Odpowiedz

Patryk Wiśniewski 3 lata temu

Tak, to tak jakbyś sam u siebie zbadał, że jesteś najedzony od pięciu pączków. Kolejnego pączka już nie dasz rady zjeść, a mniej niż 5 pączków będziesz nienajedzony. Tutaj mniej więcej to samo : potencjał glinu jest tym poziomem ,,pięciu pączków”.

Odpowiedz