ElektrolizaelektrolizaElektroliza to zespół przemian, które zachodzą na granicy faz przewodnik‑roztwór oraz pod wpływem przyłożonego dużego napięcia do przewodników elektrolizera (urządzenia do przeprowadzania elektrolizy). Jest to więc proces wymuszony, a jednym z jego powszechnych zastosowań jest otrzymywanie czystych pierwiastków. Na skalę przemysłową najczęściej są nimi metale, takie jak sód, glin, lit czy potas.

Sieć krystaliczna chlorku sodu zostaje zniszczona pod wpływem wysokiej temperatury ok. 800°C, dzięki czemu możliwy jest swobodny ruch jonów w kierunku elektrod. Zachodzą wówczas następujące reakcje elektrodowe:

• katodakatodakatoda (elektroda stalowa): ${\mathrm{Na}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Na}$;

• anodaanodaanoda (elektroda grafitowa): $2 {\mathrm{Cl}}^{-}\to {\mathrm{Cl}}_2\uparrow +2 {\mathrm{e}}^{-}$.

RtuUbBUefcSF8

Ilustracja przedstawiająca schemat elektrolizera do otrzymywania metalicznego sodu oraz gazowego chloru ze stopionego chlorku sodu. Naczynie wypełnione stopionym chlorkiem sodu NaCl. W nim zatopione są elektrody: katoda ze znakiem minus oraz anoda ze znakiem plus. Do układu przyłożone jest napięcie wymuszające odpowiednie reakcje na katodzie i anodzie. Na katodzie proces redukcji: ${\text{Na}}^{+}{\text{ + e}}^{-}\text{ → Na}$. Na anodzie proces utlenienia: $2{\mathrm{Cl}}^{-}{\text{ → Cl}}_2{\text{ + 2 e}}^{-}$. Na ilustracji zaznaczono również jony ${\mathrm{Cl}}^{-}$ dążące do anody i jony ${\mathrm{Na}}^{+}$ dążące do katody. Na anodzie powstaje gazowy chlor, co zostało zaznaczone na ilustracji w postaci pęcherzyków gazu otaczających przestrzeń wokół anody. Na katodzie powstaje metaliczny sód.

Podczas elektrolizy następuje wędrówka kationów sodu do katody (-), gdzie ulegają redukcji, oraz anionów chlorkowych do anody (+), gdzie z kolei ulegają utlenieniu. Na katodzie wydziela się więc sód, a na anodzie chlor. Zachodzi reakcja, którą można zapisać następującym równaniem:

Sód można również otrzymać w wyniku elektrolizy stopionego $\text{NaOH}$. Jest to proces Castnera-Kellneraproces Castnera-Kellneraproces Castnera-Kellnera, który obecnie ma znaczenie historyczne. Wodorotlenek sodu topiony jest w temperaturze ok. 330°C.

Powstające w wyniku dysocjacji termicznej kationy sodu wędrują do katody (-), gdzie następuje ich redukcja do sodu. W tym samym czasie aniony wodorotlenkowe przemieszczają się do anody (+), gdzie odbywa się ich utlenianie do tlenu.

• katoda (elektroda z miedzi): ${\mathrm{Na}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Na}$;

• anoda (elektroda z żelaza lub niklu): $4 {\mathrm{OH}}^{-}\to {\mathrm{O}}_2\uparrow +2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+4 {\mathrm{e}}^{-}$.

Sumaryczna reakcji elektrolizy stopionego wodorotlenku sodu przedstawia poniższe równanie:

Ubocznie może następować również reakcja powstałej wody z sodem.

Przemysłowa metoda otrzymywania glinu polega na elektrolizie tlenku glinu, czyli głównego składnika boksytu (rudy glinu) – głównej rudy glinu. Tlenek glinu rozpuszcza się jest w kriolicie, czyli ${\text{Na}}_3{\text{AlF}}_6$ (heksafluoroglinianie sodu). Ponieważ temperatura topnienia tlenku glinu wynosi ok. 2045°C, a topnienie kriolitu następuje w temperaturze 1012°C, w celu zmniejszenia temperatury topnienia dodaje się topniki – np. fluorek wapnia – które zmniejszą temperaturę topienia do 920‑980°C. Proces elektrolizy prowadzony jest w wannach wykonanych ze stali, w których umieszczone są elektrody węglowe (grafitowe), stanowiące zarówno katodę, jak i anodę. Podczas procesu wydziela się tlen, który, reagując z węglem, utlenia go do tlenku węgla(II) oraz tlenku węgla(IV).

REVoraCWnM1yl

Ilustracja przedstawia schemat elektrolizera do otrzymywania metalicznego glinu z kriolitu. Od góry dwie grafitowe anody ze znakiem plus zatopione w stopionym z tlenkiem glinu ${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$ kriolitem. Anody otaczają pęcherzyki dwutlenku węgla ${\text{CO}}_2$. Poniżej stopiony glin $\text{Al}$. Wewnętrzna część elektrolizera to elektroda grafitowa pełniąca rolę katody oznaczonej znakiem minus. Całość znajduje się w stalowej obudowie. W prawym dolnym rogu wyciek ciekłego glinu $\text{Al}$ pozyskiwanego na drodze elektrolizy.

Podczas elektrolizy jony, które zawierają glin (aniony tetrafluoroglinianowe), ulegają redukcji. Na anodzie natomiast następuje utlenienie jonów glinu (pochodzących z anionów tetrafluorodioksoglinianowych) za pomocą tlenku węgla(II), który utlenia się do tlenku węgla(IV).

Zachodzą następujące reakcje elektrodowe:

• katoda (elektroda węglowa): ${\mathrm{Al}}^{3+} + 3 {\mathrm{e}}^{-} \to \mathrm{Al}$;

• anoda (elektroda węglowa): $2 {\mathrm{O}}^{2-} + \mathrm{C} \to {\mathrm{CO}}_2 + 4 {\mathrm{e}}^{-}$.

Sumaryczną reakcję elektrolizy tlenku glinu z udziałem węgla można przedstawić za pomocą następującego równania:

Przemysłowe otrzymywanie litu polega na elektrolizie stopionego chlorku litu, do którego dodaje się chlorku potasu, aby obniżyć temperaturę topnienia – wówczas jest to 400°C.

R16Uc671DBU6l

Ilustracja przedstawiająca elektrolizer do otrzymywania metalicznego litu z chlorku litu. W dolnej części elektrolizera zbudowanego z żelaznego zbiornika z ognioodpornymi cegłami znajduje się anoda grafitowa o walcowatym kształcie. Po prawej stronie okrągła żelazna katoda niej poprowadzona żelazna rura transportująca powstający lit do odbiornika. Zbiornik elektrolizera wypełniają stopione chlorek litu LiCl, chlorek potasu KCl, fluorek potasu KF lub chlorek litu LiCl i chlorek wapnia ${\mathrm{CaCl}}_2$. Od góry dwa wloty: pierwszy, którym dostarczana jest świeża sól oraz drugi, którym wtłaczany jest chlor.

Powstające w wyniku dysocjacji termicznej kationy litu wędrują do katody (-), gdzie następuje ich redukcja do litu. W tym samym czasie aniony chlorkowe wędrują do anody (+), gdzie następuje ich utlenianie do chloru. Zachodzą następujące reakcje elektrodowe:

• katoda (elektroda stalowa): ${\mathrm{Li}}^{+}+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Li}$;

• anoda (elektroda grafitowa): $2 {\mathrm{Cl}}^{-}\to {\mathrm{Cl}}_2+2 {\mathrm{e}}^{-}$.

Sumaryczna reakcji elektrolizy stopionego wodorotlenku sodu przedstawia poniższe równanie:

W analogiczny sposób, poprzez elektrolizę stopionej soli, otrzymuje się inne metale, np. cynk (np. elektroliza stopionego chlorku cynku), ołów (np. elektroliza stopionego chlorku ołowiu(II)) lub potas (np. elektroliza stopionego chlorku potasu).

Słownik

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Pazdro K. M., Podręcznik do kształcenia rozszerzonego w liceach, Część II. Chemia fizyczna, Oficyna Edukacyjna, Warszawa 2009.