Elektroliza stopionych tlenków, soli i wodorotlenków

Jeżeli elektrolizie poddaje się stopione elektrolity (np. tlenki, wodorotlenki, sole), to w takich warunkach wszystkie metale ulegają redukcji na katodzie (niezależnie od wartości ich potencjału standardowego).

bg‑pink

Elektroliza stopionych tlenków

Przykładem procesu, w którym wykorzystuje się elektrolizę stopionego tlenku, jest otrzymywanie glinu poprzez proces Halla-Héroulta, opracowanego w $1886$ roku. Tlenek glinu( $III$ ), otrzymany z boksytu, rozkładany jest elektrolitycznie na metaliczny glin oraz gazowy tlen. Proces ten zachodzi w sposób ciągły i rozpoczyna się od etapu rozpuszczenia tlenku glinu w krioliciekriolitkriolicie, który wypełnia wannę elektrolityczną. Temperatura procesu utrzymywana jest na poziomie $920$ – $980 ° C$ . Powstający w tym procesie glin oddzielany jest od elektrolitu i sukcesywnie usuwany z komory elektrolizera. Uzyskany metal ma większą gęstość od elektrolitu, więc osiada na dnie wanny elektrolitycznej. Z kolei wydzielający się tlen reaguje z grafitową okładziną anody, tworząc tlenek węgla( $IV$ ), który, wydzielając się intensywnie, powoduje mieszanie się elektrolitu i staje się nośnikiem dla gazowych produktów ubocznych.

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 Al2O3 kriolitem. Anody otaczają pęcherzyki dwutlenku węgla CO2. Poniżej stopiony glin 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 Al pozyskiwanego na drodze elektrolizy. — Schemat elektrolizera do otrzymywania metalicznego glinu z kriolitu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., opracowano na podstawie epodreczniki.open.agh.edu.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

{Al}_{2} O_{3} \to 2 {Al}^{3 +} + 3 O^{2 -}

K (-) {Al}^{3 +} + 3 e^{-} \to Al

A (+) 2 O^{2 -} \to O_{2} + 4 e^{-}

Wtórna reakcja na anodzie:

3 O_{2} + 4 C \to 2 CO + 2 {CO}_{2}

bg‑pink

Elektroliza stopionych soli

Stopione sole należą do przewodników elektrolitycznych – dobrze przewodzą prąd. Podczas elektrolizy, na anodzie i katodzie wydzielają się produkty ich rozkładu, podobnie jak w przypadku elektrolizy roztworów wodnych. Wówczas z chlorku ołowiu( $II$ ) otrzymuje się chlor i ołów, z chlorku sodu – chlor i sód, a z azotanu( $V$ ) sodu – sód, tlen oraz tlenki azotu.

Metoda stapiania soli stosowana jest wtedy, gdy nie ma możliwości przeprowadzenia elektrolizy wodnych roztworów tych soli (zdarza się, że produkty elektrolizy wodnej reagują z wodą).

Przykładem tego typu elektrolizy jest stapianie chlorku sodu ( $T_{topnienia} = 801 ° C$ ).

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

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

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

RyXGmcd8MUXjB

Ilustracja przedstawiająca schemat elektrolizera używanego do otrzymywania metalicznego sodu. W dolnej części zbiornika wypełnionego stopionym chlorkiem sodu NaCl anoda węglowa +. Anodę otacza stalowy ekran. Wewnętrzna ściana zbiornika to stalowa katoda -. W górnej części zbiornika wylot dla gazowego chloru generowanego w wyniku elektrolizy oraz wlew dla stopionego chlorku sodu. W dolnej części źródło napięcia oraz odpływ dla stopionego sodu. — Schemat elektrolizera używanego do otrzymywania metalicznego sodu. W stopionym chlorku sodu zanurzone są dwie elektrody – stalowa katoda i grafitowa anoda.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Naturalne solanki, woda morska, karnalit czy dolomit są źródłem chlorku magnezu. Po przeróbce chemicznej tych surowców otrzymuje się uwodniony chlorek magnezu, który jest surowcem do elektrolizy. Chlorek magnezu jest stapiany w temperaturze $700 ° C$ . W efekcie, na katodzie otrzymywany jest ciekły magnez, natomiast na anodzie wydziela się taka sama ilość chloru.

Elektroliza stopionego chlorku cynku

Umieść w tyglutygieltyglu około $10 g$ bezwodnego chlorku cynku. Następnie ustaw tygiel nad palnikiem i zacznij go ogrzewać aż do stopienia soli ( $T_{topnienia} = 287 ° C$ ). Kolejnym krokiem jest umieszczenie dwóch elektrod grafitowych, połączonych płaską baterią ( $4,5 V$ ), w stopionej soli. Poczekaj kilka minut i opisz obserwację.

Uwaga! Doświadczenie należy przeprowadzać pod wyciągiem.

RIkTFfxfeJBds

Podczas przeprowadzania elektrolizy opisanej w doświadczeniu możemy zaobserwować, że nad tyglem pojawia się gaz o charakterystycznym zapachu chloru, a na jednej z elektrod gromadzi się ciało stałe o wyglądzie odmiennym od stopionej soli. Te obserwacje wskazują na zajście elektrolizy stopionej soli.

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

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

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

bg‑pink

Elektroliza stopionych wodorotlenków

Przemysłową metodą otrzymywania metalicznego sodu jest proces Castnera, prowadzony w drodze elektrolizy stopionego wodorotlenku sodu w temperaturze około $330 ° C$ .

RY18JD9ikYsvE

Ilustracja przedstawiająca schemat elektrolizera Castnera. Elektrolizer ten zbudowany jest z ceramicznego tygla w kształcie przypominający odwrócony stożek, w dolnej części, tak zwanej szyjce umieszczona jest katoda miedziana. W górnej części dwie anody niklowe, pomiędzy nimi otaczająca górą część katody druciana gaza. Nad katodą kolektor metalicznego sodu oraz wylot dla wodoru generowanego w wyniku reakcji elektrodowej. Nad anodami wyloty dla generowanego tlenu. Wnętrze zbiornika wypełnia stopiony wodorotlenek sodu z dodatkami. — Schemat elektrolizera Castnera – zbudowany jest z ceramicznego tygla z zawieszoną niklową anodą w kształcie cylindra. Anoda otacza miedzianą katodę. Ze względu na różnicę temperatur – niższa w dolnej części elektrolizera i wyższa w górnej – wodorotlenek sodu, który znajduje się w szyjce, występuje w fazie stałej, w części środkowej oraz górnej i jest cieczą. Metaliczny sód wytwarza się na katodzie, ale ze względu na różnicę gęstości metalicznego sodu i stopionego wodorotlenku (metaliczny sód ma mniejszą gęstość) wędruje ku górze. Druciana gaza ogranicza sód, akumulujący się w kolektorze.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W procesie tym metaliczny sód wytwarza się na katodzie. Ze względu na to, że jego gęstość jest mniejsza od stopionego wodorotlenku sodu, wędruje ku górze i gromadzi się w kolektorze.

Reakcje elektrochemiczne tego procesu przedstawiono poniżej.

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

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

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

Reakcja uboczna:

2 H_{2} O + 2 Na \to 2 NaOH + H_{2} ↑

Symulacja 1

Przeprowadź elektrolizę stopionej soli chlorku sodu ( $NaCl$ ), stopionego tlenku glinu ( ${Al}_{2} O_{3}$ ) oraz stopionego wodorotlenku sodu ( $NaOH$ ), a następnie wykonaj ćwiczenia pod symulacją.

R1db4dSYWVjF1

Symulacja interaktywna pt. Elektroliza stopionych tlenków, soli i wodorotlenków
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźgreenwhite

Zapoznaj się z poniższymi opisami elektrolizy stopionej soli chlorku sodu $NaCl$ , stopionego tlenku glinu ${Al}_{2} O_{3}$ oraz stopionego wodorotlenku sodu $NaOH$ , a następnie wykonaj ćwiczenia.

Doświadczenie $1$ : Elektroliza stopionego chlorku sodu

Układ złożony ze stalowej katody oraz grafitowej anody, zanurzony w stałym chlorku sodu $NaCl$ . W układzie ma miejsce dysocjacja termiczna chlorku sodu na skutek ogrzewania. Zamknięcie obwodu i przyłożenie napięcia powoduje przepływ elektronów od anody do katody. Na anodzie ma miejsce proces utlenienia – powstają pęcherzyki gazu, chloru, a aniony chlorkowe poruszają się w kierunku anody, a na katodzie ma miejsce proces redukcji, kationy sodowe poruszają się w kierunku katody, wydziela się metaliczny sód.

Doświadczenie $2$ : Elektroliza stopionego tlenku glinu ${Al}_{2} O_{3}$

Układ złożony ze stalowej katody oraz grafitowej anody, zanurzony w stałym tlenku glinu ${Al}_{2} O_{3}$ . W układzie ma miejsce dysocjacja termiczna tlenku glinu na skutek ogrzewania. Zamknięcie obwodu i przyłożenie napięcia powoduje przepływ elektronów od anody do katody. Na anodzie ma miejsce proces utlenienia – powstają pęcherzyki gazu, czyli tlenu. Na katodzie natomiast ma miejsce proces redukcji – kationy glinu poruszają się w kierunku katody i wydziela się metaliczny glin.

Doświadczenie $3$ : Elektroliza stopionego wodorotlenku sodu

Układ złożony ze stalowej katody oraz grafitowej anody, zanurzony w stałym wodorotlenku sodu $NaOH$ . W układzie ma miejsce dysocjacja termiczna wodorotlenku sodu na skutek ogrzewania. Zamknięcie obwodu i przyłożenie napięcia powoduje przepływ elektronów od anody do katody. Na anodzie ma miejsce proces utlenienia – powstają pęcherzyki gazu, czyli tlenu. Na katodzie z kolei ma miejsce proces redukcji, wydziela się metaliczny sód oraz wodór.

Ćwiczenie 1

Zapisz równania reakcji mających miejsce podczas elektrolizy chlorku sodu, z zaznaczeniem, gdzie te procesy zachodzą. Następnie zapisz równanie sumaryczne reakcji.

R16hqgSTUNi3M

R1TMYAh41tbM1

Utlenienie na anodzie:

2 {Cl}^{-} \to {Cl}_{2} + 2 e^{-}

Redukcja na katodzie:

2 {Na}^{+} + 2 e^{-} \to 2 Na

Sumaryczny proces:

2 {Na}^{+} + 2 {Cl}^{-} \to 2 Na + {Cl}_{2} ↑

Ćwiczenie 2

Zapisz równania reakcji mających miejsce podczas elektrolizy tlenku glinu, z zaznaczeniem, gdzie te procesy zachodzą. Następnie zapisz równanie sumaryczne reakcji.

R16hqgSTUNi3M

R16Fs2thMelGx

Utlenienie na anodzie:

2 O^{2 -} \to O_{2} + 4 e^{-}

Redukcja na katodzie:

{Al}^{3 +} + 3 e^{-} \to Al

Sumaryczny proces:

4 {Al}^{3 +} + 6 O^{2 -} \to 4 Al + 3 O_{2}

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

kriolit

minerał, fluoroglinian sodu ${Na}_{3} ({AlF}_{6})$

tygiel

naczynie laboratoryjne stosowane do suszenia, prażenia i/lub stapiania substancji, zwłaszcza podczas analizy chemicznej

Co to jest elektroliza i jakie procesy zachodzą na elektrodach?

Elektroliza w roztworach wodnych