Przeczytaj

bg‑blue

Elektroliza

Elektrolizą nazywa się całokształt zjawisk towarzyszących przepływowi prądu elektrycznego przez roztwory elektrolitówelektrolitelektrolitów. Procesowi temu towarzyszą reakcje elektrochemiczne na granicy faz: przewodnik metaliczny – przewodnik elektrolityczny.

R1YPFQD6rtT0A1

Zdjęcie przedstawiające fragment dwóch przewodów, czerwonego oraz czarnego, wraz z odpowiednimi wtyczkami. — Woltomierz i amperomierz to urządzenia służące do pomiaru odpowiednio napięcia i natężenia prądu.
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Aby przeprowadzić elektrolizę, niezbędne są:

źródło prądu stałego, np. bateria czy akumulator;
elektrody;
woltomierzwoltomierzwoltomierz;
amperomierzamperomierzamperomierz.

bg‑blue

Elektrody

Elektrody są to zazwyczaj przewodniki metaliczne zanurzone w roztworze elektrolituelektrolitelektrolitu i doprowadzające lub odprowadzające zeń prąd elektryczny. Elektrodą również może być całe naczynie, w którym znajduje się roztwór elektrolitu (wykonane z przewodnika metalicznego). Pośród elektrod wyróżniamy:

katodę – elektrodę połączoną z ujemnym biegunem

W trakcie procesu elektrolizy kationy pobierają elektrony z powierzchni katody. Zachodzący tam proces, nazywany jest procesem katodowym:

gdy obecne są kationy metalu:
$M^{n +} + n e^{-} \to M$

gdy w roztworze znajdują się kwasy, zasady, sole metali alkalicznych (metale nieszlachetne), wtedy, w zależności od wartości potencjału na katodzie, może zajść proces:

2 H_{3} O^{+} + 2 e^{-} \to H_{2} ↑ + 2 H_{2} O (elektroliza roztworu kwasu)

lub

2 H_{2} O + 2 e^{-} \to H_{2} ↑ + 2 {OH}^{-} (elektroliza wody)

Ważne!

Procesy chemiczne zachodzące na powierzchni katody są procesami redukcji, polegającymi na pobieraniu elektronów przez kationy.

anodę – elektrodę połączoną z dodatnim biegunem

W trakcie procesu elektrolizy aniony oddają elektrony do powierzchni anody. Zachodzący tam proces, nazywany jest procesem anodowym:

gdy obecne są w roztworze aniony halogenkowe $X^{-}$ , tworzą cząsteczki atomów odpowiednich halogenów:

2 X^{-} \to X_{2} + 2 e^{-}

w przypadku obecności zasad, kwasów tlenowych lub ich soli, produktem elektrolizy jest tlen; w zależności od wartości potencjału na anodzie, może zajść proces:

2 {OH}^{-} \to H_{2} O + \frac{1}{2} O_{2} ↑ + 2 e^{-} (elektroliza roztworu zasady)

lub

3 H_{2} O \to 2 H_{3} O^{+} + \frac{1}{2} O_{2} ↑ + 2 e^{-} (elektroliza wody)

Ważne!

Procesy chemiczne zachodzące na powierzchni anody są procesami utleniania, polegającymi na oddawaniu elektronów przez aniony.

bg‑blue

Napięcie konieczne do przeprowadzenia elektrolizy

Przebieg reakcji elektrochemicznych, zachodzących na elektrodach, zależy od:

właściwości chemicznych składników roztworu elektrolitu;
stężeń jonów;
rodzaju elektrod;
różnicy potencjału między elektrodami.

Przebieg elektrolizy jest możliwy tylko wtedy, gdy do elektrod przyłoży się odpowiednio dużą różnicę potencjałów. Jeśli do końcówek elektrod zostanie przyłożone zbyt małe napięcie, to tylko w pierwszej chwili popłynie w obwodzie prąd, który szybko zaniknie. Przyczyną tego zjawiska jest polaryzacja elektrochemiczna elektrodpolaryzacja elektrochemiczna elektrodpolaryzacja elektrochemiczna elektrod, polegająca na tym, że katoda i anoda pokrywają się warstewką produktów elektrolizy.

Przykład 1

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

Elektrody platynowe zanurzono w roztworze siarczanu( $VI$ ) miedzi( $II$ ) i podłączono do źródła prądu o zbyt małym napięciu.

Procesy zachodzące na elektrodach:

katoda: ${Cu}^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$

anoda: $3 H_{2} O \to 2 H_{3} O^{+} + \frac{1}{2} O_{2} ↑ + 2 e^{-}$

W tym momencie układ zaczyna działać jak ogniwo chemiczne utworzone z elektrody miedzianej i elektrody tlenowej, zanurzonej w roztworze siarczanu( $VI$ ) miedzi( $II$ ). Ogniwo to ma odpowiednią siłę elektromotoryczną, a prąd tego ogniwa jest skierowany przeciw prądowi mającemu wywołać elektrolizę.

Teoretyczne napięcie rozkładowe ( ${E_{r}}^{t}$ ) równe jest sile elektromotorycznej utworzonego ogniwasiła elektromotoryczna ogniwasile elektromotorycznej utworzonego ogniwa (SEM), a więc różnicy potencjałów elektrod ogniwa

{E_{r}}^{t} = ∆ E = E_{1} - E_{2} (1)

Dla rozpatrywanego ogniwa, potencjał dodatniej elektrody tlenowej $(E_{1})$ równy jest $1,229 V$ , a ujemnej miedzianej $(E_{2})$ – $0,345 V$ . Podstawiając wartości do równania $(1)$ , otrzymujemy:

{E_{r}}^{t} = ∆ E = 1,229 V - 0,345 V = 0,884 V

Odpowiedź: Teoretyczne napięcie rozkładowe wynosi $0,884 V$ .

Ważne!

Elektroliza może zachodzić tylko wtedy, gdy przyłożone do elektrod napięcie jest co najmniej równe SEM, a w praktyce większe od siły elektromotorycznej utworzonego ogniwa. Najmniejsze konieczne do przeprowadzenia elektrolizy napięcie, nazywane jest napięciem rozkładowymnapięcie rozkładowenapięciem rozkładowym.

RZpdOngAsnkmA

Zdjęcie przedstawiające szklane, podłużne naczynie, we wnętrzu naczynia znajduje się szklana spirala, wypełniona pomarańczową cieczą. W tle fragment kolby wypełnione fioletowym roztworem. — Przebieg elektrolizy jest możliwy tylko wtedy, gdy do elektrod przyłoży się odpowiednio dużą różnicę potencjałów.
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

bg‑gray1

Nadnapięcie

Przewidzieć można, że napięcie wystarczające do elektrolizy powinno być co najmniej równe. W praktyce jednak okazuje się, że jest ono niewystarczające. Wartość tego napięcia należy powiększyć o pewną wartość, tzw. nadnapięcie $η$ .

Dlatego też, aby określić właściwe napięcie, potrzebne do przeprowadzenia elektrolizy, musimy uwzględnić wartości nadnapięcianadnapięcienadnapięcia każdej z elektrod oraz spadek napięcia $I_{R}$ , wywołany oporem elektrolitu. Wtedy wartość napięcia rozkładowego opisuje się wzorem:

{E_{r}}^{rz} = ∆ E + I_{R} + η_{anody} + |η_{katody}| (2)

Gdzie:

${E_{r}}^{rz}$ – rzeczywiste napięcie elektrolizy;
$I$ – natężenie prądu;
$R$ – opór elektrolitu;
$η_{anody}$ – nadnapięcie anody;
$η_{katody}$ – nadnapięcie katody.

Ponadto, aby przeprowadzić elektrolizę wodnego roztworu elektrolitu, należy uwzględnić potencjał rozkładu wody. Wartości napięcia rozkładowego wody $(E_{katody}, E_{anody})$ zależą od pH i natężenia prądu. Jeżeli odczyn potencjału jest odpowiedni oraz wartość potencjału utlenienia i redukcji mieści się w przedziale między granicami przejść:

H_{2} O \to H_{2} ↑

H_{2} O \to O_{2} ↑

to dana substancja ulegnie procesowi elektrolizy. Jeżeli wartości potencjałów są wyższe, nastąpi rozkład wody.

Podsumowując, aby przeprowadzić elektrolizę, istotną kwestią jest odpowiednie dobranie napięcia. Napięcie przyłożone do elektrod powinno być wyższe od wartości siły elektromotorycznej, z uwzględnieniem poprawki na nadnapięcie elektrod. Zbyt małe napięcie skutkuje otrzymaniem odpowiedniego ogniwa, którego prąd jest przeciwny do kierunku prądu elektrolizy.

Słownik

elektrolit

substancja, która po stopieniu lub rozpuszczeniu ulega dysocjacji i może przewodzić prąd elektryczny

woltomierz

przyrząd służący do pomiaru napięcia prądu

amperomierz

przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu

polaryzacja elektrochemiczna elektrod

pokrywanie się elektrod produktami elektrolizy, zatrzymujące proces

napięcie rozkładowe

najmniejsza wartość napięcia konieczna do rozpoczęcia elektrolizy

siła elektromotoryczna ogniwa

(napięcie ogniwa), SEM, miara zdolności reakcji ogniwa do spowodowania przepływu elektronów przez obwód

nadnapięcie

$η$ , wartość różnicy potencjału elektrody (półogniwa) $E$ , przez którą płynie określony prąd, i jej potencjału $E_{0}$ w stanie równowagi (w warunkach bezprądowych): $η = E - E_{0}$

Bibliografia

Encyklopedia PWN.

Hejwowska S., Chemia 3, Warszawa 2006.

Śliwa A., Obliczenia chemiczne, Warszawa 1987, wyd. 2.

Wprowadzenie

Film samouczek

Elektroliza

Elektrody

Napięcie konieczne do przeprowadzenia elektrolizy

Nadnapięcie

Słownik

Bibliografia