Elektroliza w roztworach wodnych

Dlaczego związki chemiczne przewodzą prąd elektryczny?

Chemicznie czysta woda nie ulega elektrolizieelektrolizaelektrolizie. Ma to związek z małą ilością jonów zdolnych przewodzić prąd. Wzrost przewodnictwa elektrycznego wody następuje po dodaniu do niej substancji, takich jak: wodne roztwory soli, wodorotlenki, kwasy oraz zasady.

Z uwagi na zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego, związki chemiczne dzieli się na dwie grupy:

R1UB0jwQnBm7o1

Ilustracja przedstawia podział związków chemicznych na elektrolity oraz nieelektrolity. Elektrolity to związki, które w roztworach wodnych lub w stanie stopionym przewodzą prąd elektryczny. Nieelektrolity to związki, które w roztworach wodnych lub w stanie stopionym nie przewodzą prądu elektrycznego. — Związki chemiczne dzielą się na elektrolity oraz nieelektrolity.
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie: M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Repetytorium chemia : Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa - Bielsko‑Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

ElektrolityelektrolitElektrolity, pod wpływem wody lub innych rozpuszczalników polarnych, ulegają dysocjacji elektrolitycznejdysocjacja elektrolitycznadysocjacji elektrolitycznej, czyli samorzutnemu rozpadowi na jony. Dla $NaCl$ proces ten można sobie wyobrazić w następujący sposób:

RsCzHAlCNrevB1

Na ilustracji uporządkowane i tworzące zwartą, krystaliczną strukturę sześcienną kationy sodu, szare kulki i aniony chlorkowe, zielone kulki. Kryształ otoczony jest cząsteczkami wody, symbolizowanej przez kulkę niebieską, czyli atom tlenu i związane z nią dwie kulki czerwone, czyli atomy wodoru. Strzałka w prawo. Kryształ uległ rozpuszczeniu. Kationy sodu i aniony chloru są oddzielone przez otaczające jest cząsteczki wody. W przypadku kationu sodowego cząsteczki wody skierowane są do niego atomem tlenu, który posiada cząstkowy ładunek ujemny, przez co kompensowany jest dodatni ładunek kationu sodowego. Z kolei anion chlorkowy otoczony jest cząsteczkami wody, które skierowane są do niego od strony atomów wodoru, na których znajdują się cząstkowe ładunki dodatnie kompensujące anion chlorkowy. — Proces dysocjacji elektrolitycznej NaCl
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie: M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Repetytorium chemia : Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa - Bielsko‑Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

W momencie, gdy w roztworze znajduje się wystarczająca ilość jonów oraz zostanie przyłożone źródło prądu stałego, zachodzi wymuszony proces migracji jonów – elektroliza. W układach, takich jak wodny roztwór $NaCl$ , można utlenićutlenianieutlenić lub zredukowaćredukcjazredukować więcej niż jeden rodzaj indywiduów, a do określenia najbardziej prawdopodobnego procesu utlenienia używa się standardowych potencjałów redukcjistandardowy potencjał redukcjistandardowych potencjałów redukcji.

bg‑magenta

Przewidywanie produktów elektrolizy prowadzonej w roztworach wodnych na elektrodach obojętnych

Podczas przewidywania produktów elektrolizy wykorzystuje się wartości ich potencjałów. Na tej podstawie skonstruowano szereg napięciowy metali.

Elektroda	$ε$ Indeks dolny 0[V]	Elektroda	$ε$ Indeks dolny 0 [V]
$Li / {Li}^{+}$	-3,04	$Co / {Co}^{2 +}$	-0,26
$K / K^{+}$	-2,92	$Ni / {Ni}^{2 +}$	-0,25
$Ba / {Ba}^{2 +}$	-2,91	$Sn / {Sn}^{2 +}$	-0,14
$Ca / {Ca}^{2 +}$	-2,76	$Pb / {Pb}^{2 +}$	-0,13
$Na / {Na}^{+}$	-2,71	$Fe / {Fe}^{3 +}$	-0,04
$Mg / {Mg}^{2 +}$	-2,36	$H_{2} / 2 H^{+}$	0,00
$Al / {Al}^{3 +}$	-1,70	$Cu / Cu^{2 +}$	+0,34
$Al / {Al}^{3 +}$	-1,18	$Ag / {Ag}^{+}$	+0,80
$Zn / {Zn}^{2 +}$	-0,76	$Hg / {Hg}^{2 +}$	+0,85
$Cr / {Cr}^{3 +}$	-0,74	$Pt / {Pt}^{2 +}$	+1,19
$Fe / {Fe}^{2 +}$	-0,44	$Au / {Au}^{3 +}$	+1,50

Indeks górny Tabela 1. Potencjały standardowe $ε$ Indeks dolny 0 metali. Opracowano na podstawie „Wybrane wzory i tabele fizykochemiczne na egzamin maturalny z biologii, chemii i fizyki” Centralnej Komisji Egzaminacyjnej. Indeks górny koniec

R1SyiH4n2UIZr1

Ilustracja przedstawiająca szereg aktywności metali. Fioletowa strzałka w lewą stronę, nad nią napis "wzrost aktywności chemicznej metali". Pod strzałką symbole metali, od najaktywniejszych po lewej stronie: Li, K, Ba, Ca, Na, które wypierają wodór z zimnej wody oraz z kwasów. Dalej aktywniejsze od wodoru i wypierające go z gorącej wody i z kwasów: Mg, Al, Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb. W tym miejscu szeregu znajduje się atom wodoru, za którym wymieniono metale mniej aktywne od wodoru, które nie wypierają wodoru z wody ani z kwasów: Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pt, Au. — Szereg napięciowy metali
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wartość potencjału decyduje o kolejności wydzielania metali i niemetali na elektrodach.

Kolejność rozkładu substancji na katodzie	Kolejność rozkładu substancji na anodzie
kationy metali ciężkich (znajdujących się za glinem w szeregu napięciowym), kationy oksoniowe $H_{3} O^{+}$ (dla roztworu o odczynie kwasowym), woda: $2 H_{2} O + 2 e^{-} \to H_{2} ↑ + 2 {OH}^{-}$	aniony kwasów beztlenowych, aniony wodorotlenkowe, woda: $6 H_{2} O \to O_{2} ↑ + 4 {H_{3} O}^{+} + 4 e^{-}$
Pamiętaj! W roztworach wodnych nie będzie zachodziła redukcja kationów metali lekkich (znajdujących się w szeregu napięciowym przed glinem).	Pamiętaj! W roztworze wodnym nie ulegają utlenianiu aniony kwasów tlenowych.

Ważne!

Podczas elektrolizy roztworu wodnego, zawierającego:

kilka kationów – jako pierwszy redukuje się kation o najwyższym potencjale standardowym, następnie kolejno kationy o coraz niższych potencjałach;
kilka anionów – jako pierwszy utlenia się anion o najniższym potencjale standardowym, a w następnej kolejności aniony o coraz wyższym potencjale.

R1ESP3FhPGqdo

Na ilustracji przedstawiono oś, na której zaznaczono potencjał E0 w woltach, V, dla odpowiednich metali, kolejno od lewej po lewej stronie i od lewej strony kolejno: M1, M2 oraz M3. M3 to kation metalu wydzielający się jako pierwszy na katodzie. Po prawej stronie zaznaczono odpowiednie aniony, od lewej A1, A2 oraz A3. Anion A1 zaznaczony jako anion wydzielający się jako pierwszy na anodzie. — Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie: M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Repetytorium chemia : Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa - Bielsko‑Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

Im bardziej szlachetny metal, tym łatwiej ulega redukcji na katodzie.

bg‑magenta

Procesy elektrodowe

Zakładając, że elektrolizę prowadzi się, używając elektrod obojętnychelektrodaelektrod obojętnych (np. platyna) i poddając jej wodne roztwory elektrolitów, możliwe procesy elektrodowe można przedstawić następująco:

Elektroliza kwasu beztlenowego HX
$K (-) 2 H_{3}^{} O^{+} + 2 e^{-} \to H_{2}^{0} ↑ + 2 H_{2} O$	$A (+) 2 X^{-} \to {X_{2}}^{0} + 2 e^{-}$
stężenie kwasu maleje, pH rośnie

Elektroliza kwasu tlenowego
$K (-) 2 H_{3} O^{+} + 2 e^{-} \to {H_{2}}^{0}_{↑} + 2 H_{2} O$	$A (+) 6 H_{2} O \to 4 H_{3} O^{+} + O_{2} ↑ + 4 e^{-}$ Indeks górny Na anodzie zachodzi utlenianie wody, gdyż aniony kwasów tlenowych w roztworach wodnych w założonych warunkach nie ulegają utlenianiu ze względu na przykład na maksymalny stopień utlenienia np. w anionach siarczanowych(VI) siarka występuje na maksymalnym, szóstym stopniu utlenienia. Indeks górny koniec
ubywa wody, stężenie kwasu rośnie, pH maleje

Elektroliza zasad
$K (-) 2 H_{2} O + 2 e^{-} \to H_{2} ↑ + 2 {OH}^{-}$ Indeks górny Na katodzie zachodzi redukcja wody, jeśli w skład zasady wchodzi metal znajdujący się w szeregu napięciowym na początku, czyli do glinu włącznie ( $E_{0}$ ≤ -1,69 V), takie metale nie redukują się na katodzie. Indeks górny koniec $K (-) {Me}^{n +} + {ne}^{-} \to Me$ Indeks górny Metal znajdujący się za glinem w szeregu napięciowym ( $E_{0}$ > -1,69 V) redukuje się na katodzie (większość wodorotlenków tych metali jest trudno rozpuszczalna w wodzie i stąd w praktyce nie prowadzi się ich elektrolizy). Indeks górny koniec	$A (+) 4 {OH}^{-} \to 2 H_{2} O + O_{2} ↑ + 4 e^{-}$
ubywa wody, stężenie zasady rośnie, pH rośnie

Elektroliza soli
zachodzi zgodnie z omówionymi powyżej regułami dotyczącymi kationu metalu i anionu reszty kwasowej
$np . KBr \to K^{+} + {Br}^{-}$ $K (-) 2 H_{2} O + 2 e^{-} \to 2 {OH}^{-} + H_{2} ↑$ $A (+) 2 {Br}^{-} \to {Br}_{2} + 2 e^{-}$ Indeks górny (w pobliżu katody odczyn zasadowy) Indeks górny koniec	$np . {CuSO}_{4} \to {Cu}^{2 +} + {SO}_{4}^{2 -}$ $K (-) 2 C u^{2 +} + 4 e^{-} \to 2 C u$ $A (+) 6 H_{2} O \to 4 H_{3} O^{+} + O_{2} ↑ + 4 e^{-}$ Indeks górny (w pobliżu anody odczyn kwasowy) Indeks górny koniec
rośnie stężenie jonów ${OH}^{-}$ , pH rośnie	rośnie stężenie jonów $H_{3} O^{+}$ , pH maleje

Symulacja 1

Przeprowadź elektrolizę substancji w roztworze wodnym. Odpowiedz na pytanie: jakie substancje są dobrymi nośnikami ładunków elektrycznych i dlaczego? Przeprowadź doświadczenie, wykorzystując cztery roztwory wodne: chlorku sodu, sacharozy, kwasu solnego i wodorotlenku sodu.

Zapoznaj się z opisem elektrolizy substancji w roztworze wodnym. Odpowiedz na pytanie: jakie substancje są dobrymi nośnikami ładunków elektrycznych i dlaczego? W doświadczeniu wykorzystano cztery roztwory wodne: chlorku sodu, sacharozy, kwasu solnego i wodorotlenku sodu.

R160aywuO7AFu1

Symulacja interaktywna pt. Elektroliza w wodnych roztworach
Źródło: GroMar Sp.z.o.o, licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźgreenwhite

Pamiętaj, że aby elektroliza roztworu mogła zostać przeprowadzona, w roztworze muszą znajdować się jony. Dopiero wtedy po przyłożeniu źródła prądu stałego rozpoczyna się migracja jonów do odpowiednich elektrod i zachodzi elektroliza.

Przykładami elektrolitów, czyli substancji, które w roztworach wodnych lub w stanie stopionym przewodzą prąd elektryczny są: wodorotlenek potasu, kwas siarkowy $(VI)$ i azotan $(V)$ potasu.

Przykładami nieelektrolitów, czyli substancji, które w roztworach wodnych lub w stanie stopionym nie przewodzą prądu elektrycznego są: woda destylowana, glicerol i etanol.

R4AUT90eVCN19

Ćwiczenie 1

RUjw99GPXW3lK

Ćwiczenie 2

RRUgk7XLr4kD6

Ćwiczenie 3

Ćwiczenie zapisu równań reakcji zachodzących podczas elektrolizy.15480Brawo! Poziom został zaliczony!Niestety, poziom nie został zaliczony.1

Test

Ćwiczenie zapisu równań reakcji zachodzących podczas elektrolizy.

Czy potrafisz sprawnie zapisywać równania reakcji, zachodzących podczas elektrolizy? Rozwiąż quiz sprawdzający. Gra składa się z trzech poziomów z limitem czasowym. Aby przejść do następnego etapu, najpierw musisz rozwiązać poprzedni. Powodzenia!

Liczba pytań:

Limit czasu:

4 min

Pozostało prób:

1/1

Twój ostatni wynik:

Rr8hk4u2AxAuW

Ćwiczenie 4

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

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

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

Elektroliza stopionych tlenków, soli i wodorotlenków

Słownik

Dlaczego związki chemiczne przewodzą prąd elektryczny?

Przewidywanie produktów elektrolizy prowadzonej w roztworach wodnych na elektrodach obojętnych

Procesy elektrodowe

Ćwiczenie zapisu równań reakcji zachodzących podczas elektrolizy.

Notatnik