Przeczytaj

bg‑azure

Jak przebiega elektroliza?

ElektrolizaelektrolizaElektroliza zachodzi w roztworze elektrolitu lub w elektrolicie stopionym (termoelektroliza), w którym umieszczono elektrody metalowe lub grafitowe, połączone z zewnętrznym źródłem prądu stałego. W wyniku różnicy potencjałów elektrod następuje ruch jonów elektrolitu, których obecność jest wynikiem dysocjacji elektrolitycznej. Jony dodatnie - kationy, przemieszczają się w kierunku katody połączonej z ujemnym biegunem źródła prądu. Jony ujemne - aniony, w kierunku anody połączonej z dodatnim biegunem. Jony elektrolitu przenoszą ładunek między elektrodami.

Przy odpowiedniej różnicy potencjałów na granicy faz elektroda–roztwór, biegną nieodwracalne reakcje utlenianiareakcja utleniania‑redukcjireakcje utleniania (na powierzchni anody) i redukcjireakcja utleniania‑redukcjii redukcji (na powierzchni katody) jonów elektrolitu, związków chemicznych rozpuszczonych w roztworze lub materiału elektrod.

W wyniku elektrolizy danego elektrolitu, można otrzymać różne produkty zależnie od warunków prowadzenia procesu, m.in. temperatury, przyłożonego napięcia, rodzaju elektrod, a także budowy elektrolizera (istotne jest czy przestrzeń katodowa jest oddzielona od anodowej), np. elektroliza wodnego roztworu chlorku sodu może prowadzić do otrzymania chloru, wodoru i wodorotlenku sodu bądź chloranu sodu.

Ważne!

Utleniacz bierze udział w reakcji redukcji, w której obniża swój stopień utlenienia. Jest akceptorem elektronów (przyjmuje elektrony).

Reduktor bierze udział w reakcji utlenienia, w której podwyższa swój stopień utlenienia. Jest donorem elektronów (oddaje elektrony).

bg‑azure

Dysocjacja termiczna

Dysocjacja termiczna to rozpad większych cząsteczek chemicznych na mniejsze cząsteczki, atomy, jony lub rodniki, pod wpływem podwyższonej temperatury. W przypadku rozpadu cząsteczki na jony, efektem jest powstanie elektrolitu.

Przykładem jest dysocjacja termiczna chlorku amonu, który w temperaturze 350°C rozpada się na chlorowodór i amoniak:

{NH}_{4} Cl ⇄ HCl + {NH}_{3}

Poniżej przedstawiony został zapis równania reakcji dysocjacji stopionych soli na przykładzie chlorku cynku( $II$ ).

{ZnCl}_{2} \to {Zn}^{2 +} + 2 {Cl}^{-}

K (-) : {Zn}^{2 +} + 2 e^{-} \to Zn (redukcja)

Na katodzie mogą przebiegać reakcje redukcji katonów metali (np. Al, Li, Rb, K itp.), redukcja kationów wodoru w środowisku kwasowym lub redukcja wody.

A (+) : 2 {Cl}^{-} \to {Cl}_{2} + 2 e^{-} (utlenienie)

Natomiast na anodzie przebiegają reakcje utleniania anionów, np. bromu, chloru czy siarki (fluor nie wydziela się na anodzie, ponieważ jest on najsilniejszym utleniaczem. Cechuje go wysoka reaktywność i we wszystkich połączeniach przyjmuje stopień utlenienia -1. Pierwiastek ten nie wykazuje dodatniego stopnia utlenienia, dlatego nie może być reduktorem jonów ${OH}^{-}$ w środowisku zasadowym oraz utleniać wody.

Kolejnym przykładem jest m.in. dysocjacja termiczna chlorku sodu.

NaCl \to {Na}^{+} + {Cl}^{-}

K (-) : {Na}^{+} + e^{-} \to Na (redukcja)

A (+) : 2 {Cl}^{-} \to {Cl}_{2} + 2 e^{-} (utlenienie)

W wyniku elektrolizy, ze stopionego chlorku sodu otrzymujemy, przez elektrolityczny rozkład metaliczny, sód przy katodzie i gazowy chlor wydzielony przy anodzie.

Polecenie 1

Na podstawie powyższych przykładów zapisz równania dysocjacji dla stopionego $LiCl$ , $NaOH$ oraz ${MgCl}_{2}$ . Wskaż reakcje utleniania oraz redukcji.

RzCBSFypvgcTP

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

R1C7Vh2eSruJ1

Równania dysocjacji termicznej dla $LiCl$ .

LiCl \to {Li}^{+} + {Cl}^{-}

K (-) : {Li}^{+} + e^{-} \to Li (redukcja)

A (+) : 2 {Cl}^{-} \to {Cl}_{2} + 2 e^{-} (utlenianie)

Równania dysocjacji termicznej dla $NaOH$ .

NaOH \to {Na}^{+} + {OH}^{-}

K (-) : {Na}^{+} + e^{-} \to Na (redukcja)

A (+) : 4 {OH}^{-} \to O_{2} + 2 H_{2} O + 4 e^{-} (utlenianie)

Równania dysocjacji termicznej dla ${MgCl}_{2}$ .

{MgCl}_{2} \to {Mg}^{2 +} + 2 {Cl}^{-}

K (-) : {Mg}^{2 +} + 2 e^{-} \to Mg (redukcja)

A (+) : 2 {Cl}^{-} \to {Cl}_{2} + 2 e^{-} (utlenianie)

bg‑azure

Dysocjacja w roztworach wodnych

Przykładem elektrolizy roztworów wodnych jest elektroliza roztworu KBr. Podczas elektrolizy rośnie stężenie jonów ${OH}^{-}$ , a pH roztworu rośnie.
Przy stężeniu KBr wyższym niż 25%, na anodzie wydziela się brom.

KBr \to K^{+} + {Br}^{-}

K (-) : 2 H_{2} O + 2 e^{-} \to 2 {OH}^{-} + H_{2} ↑ (redukcja)

A (+) : 2 {Br}^{-} \to {Br}_{2} + 2 e^{-} (utlenianie)

W roztworach wodnych elektrolitów kolejność redukcji kationów zależy od położenia w szeregu elektrochemicznym metali. Jako pierwsze redukują siękationy metali według ich malejących potencjałów standardowych. Kolejne redukują się jony $H^{+}$ lub woda i wydziela się wodór.
W wodnych roztworach elektrolitów na anodzie w pierwszej kolejności utleniają się aniony kwasów beztlenowych i wydziela się niemetal. Następnie utleniają się jony ${OH}^{-}$ lub woda i wydziela się tlen.
W procesie utleniania nie biorą udziału aniony kwasów tlenowych.

Dysocjacja soli tlenowych

Dysocjacji ulegają również sole tlenowe. W tym przypadku, w zależności od powinowactwapowinowactwo elektronowepowinowactwa metalu do elektronów, na katodzie mogą zachodzić różne procesy.

Pierwszym opisanym przykładem będzie elektroliza siarczanu( $VI$ ) potasu. Okazuje się, że podczas elektrolizy wodnego roztworu tej soli, na katodzie nie następuje pobranie elektronów przez jony potasu, a na anodzie nie następuje oddanie elektronów przez jony siarczanowe( $VI$ ). Otóż w przypadku elektrolizy wodnego roztworu jakiejkolwiek soli, przy katodzie występuje współzawodnictwo o pobranie elektronów, a przy anodzie o ich oddanie. Trzeba pamiętać, że jeżeli, jakiś atom łatwo traci elektrony (np. potas), to przechodząc w jon dodatni, niechętnie będzie przyjmował nowe elektrony. Jeśli chodzi o aniony reszt kwasów tlenowych (np. jon siarczanowy( $VI$ )), to dużo trudniej tracą one elektrony niż cząsteczki wody. Jony siarczanowe( $VI$ ), zawierające siarkę na +VI stopniu utlenienia, nie mogą się już utlenić (brak wyższego stopnia utlenienia dla siarki). Dlatego, jeśli chcemy przeprowadzić elektrolizę wodnego roztworu $K_{2} {SO}_{4}$ , w rzeczywistości przeprowadzimy elektrolizę wody.

K (-) : 2 H_{2} O + 2 e^{-} \to H_{2} ↑ + 2 {OH}^{-} (redukcja)

A (+) : 6 H_{2} O \to O_{2} ↑ + 4 H_{3} O^{+} + e^{-} (utlenianie)

Innym przykładem jest elektroliza soli tlenowej siarczanu( $VI$ ) miedzi( $II$ ). W tym przypadku podczas elektrolizy na anodzie wydziela się bezbarwny gaz (tlen), natomiast katoda pokrywa się warstwą czerwonej miedzi. Oznacza to, że jony miedzi dość łatwo przyjmują elektrony i wygrywają na katodzie współzawodnictwo o elektrony z cząsteczkami wody.

{CuSO}_{4} \to {Cu}^{2 +} + {SO}_{4}^{2 -}

K (-) : 2 {Cu}^{2 +} + 4 e^{-} \to 2 Cu (redukcja)

A (+) : 6 H_{2} O \to O_{2} ↑ + 4 H_{3} O^{+} + 4 e^{-} (utlenianie)

Dysocjacja kwasów beztlenowych

Jeżeli elektrolizie ulegają kwasy beztlenowe, utleniane są jony reszty kwasowej. To wpływa na zmniejszenie stężenia kwasu i wzrost wartości pH.

HCl ⇄ H^{+} + {Cl}^{-}

K (-) : 2 H_{2} O + 2 e^{-} \to H_{2} ↑ + 2 {OH}^{-}

A (+) : 2 {Cl}^{-} \to {Cl}_{2} + 2 e^{-}

Dysocjacja kwasów tlenowych

Podczas elektrolizy tlenowych kwasów na katodzie zachodzi proces wydzielania się gazowego wodoru, natomiast na anodzie zachodzi utlenianie wody - ubywa wody, stężenie kwasu rośnie, a odczyn pH roztworu maleje. Przykładem elektrolizy kwasu tlenowego jest dysocjacja kwasu azotowego( $V$ ).

{HNO}_{3} + H_{2} O \to H_{3} O^{+} + {NO}_{3}^{-}

K (-): 4 H_{3} O^{+} + 4 e^{-} \to 2 {H_{2}}^{0}_{↑} + 4 H_{2} O

A (+) : 6 H_{2} O \to 4 e^{-} + 4 H_{3} O^{+} + O_{2} ↑ (utlenianie wody)

Jeżeli przeprowadzamy elektrolizę zasad, to zapis procesów zachodzących na katodzie jest identyczny z zapisem elektrolizy soli zawierającej taki sam kation. Natomiast na anodzie wydziela się tlen, pochodzący z rozkładu jonów wodorotlenkowych, przebiegający zgodnie z poniższym równaniem.

A (+) : 4 {OH}^{-} \to O_{2} ↑ + 2 H_{2} O + 4 e^{-}

Dysocjacja elektrolityczna może zachodzić również w kilku etapach – dysocjacja stopniowa. Polega ona na stopniowym odłączaniu kationów wodorowych od kwasów lub anionów wodorotlenkowych od wodorotlenków, aż do uzyskania wolnych reszt kwasowych lub kationów metali. Przykładem takiej dysocjacji jest dysocjacja kwasu fosforowego(V).

H_{3} {PO}_{4} + H_{2} O ⇄ H_{3} O^{+} + H_{2} {PO}_{4}^{-}

H_{2} {PO}_{4}^{-} + H_{2} O ⇄ H_{3} O^{+} + {HPO}_{4}^{2 -}

{HPO}_{4}^{2 -} + H_{2} O ⇄ H_{3} O^{+} + {PO}_{4}^{3 -}

Słownik

reakcja utleniania‑redukcji

reakcja, w której dochodzi do przeniesienia jednego lub więcej elektronów od atomu, jonu lub cząsteczki donora (czyli reduktora) do akceptora (czyli utleniacza)

elektroliza

podstawowy proces elektrochemiczny polegający na chemicznej przemianie składników elektrolitu (a często i materiału elektrod), przebiegającej na elektrodach pod wpływem przepływu prądu elektrycznego

powinowactwo elektronowe

wielkość określająca zdolność atomu lub cząsteczki do przyłączania elektronu z utworzeniem jonu ujemnego; miarą powinowactwa elektronowego jest energia wydzielona w wyniku przyłączenia jednego elektronu do atomu lub cząsteczki z utworzeniem jonu jednoujemnego; największym powinowactwem elektronowym odznaczają się atomy pierwiastków o największej elektroujemności

Bibliografia

Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Chemia. Repetytorium. Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa - Bielsko‑Biała 2010.

Wprowadzenie

Gra edukacyjna

Jak przebiega elektroliza?

Ważne!

Dysocjacja termiczna

Dysocjacja w roztworach wodnych

Dysocjacja soli tlenowych

Dysocjacja kwasów beztlenowych

Dysocjacja kwasów tlenowych

Słownik

Bibliografia