Elektrolizni članci

Uvod

Nakon što je Alessandro Volta načinio prvi galvanski članak, došlo se do spoznaje ne samo da kemijske reakcije mogu davati električnu struju već i da se djelovanjem struje mogu izazvati kemijske reakcije na elektrodama.

Proces koji se odvija kad električna struja prolazi kroz talinu neke soli ili vodenu otopinu soli, kiseline ili lužine naziva se elektroliza.

Pozorno pogledajte sljedeće videozapise i odgovorite na pitanja.

Elektroliza

Elektroda

Elektrolit

Elektrolizni članak

Koji znanstvenik je prvi izveo pokus elektrolize?
Što je sve potrebno za elektrolizu?
Koju primjenu ima elektroliza u industriji?
Što je anoda, a što katoda u elektroliznome članku?

Elektroliza taline natrijeva klorida

Natrijev klorid jest ionski kristal koji se zagrijavanjem u metalnome lončiću iznad 800 °C rastali. Tako nastaje talina, elektrolit u kojemu se nalaze natrijevi i kloridni ioni koji se slobodno gibaju u svim smjerovima. U talinu se urone grafitne elektrode i spoje električnim vodičima na bateriju. Nakon zatvaranja strujnoga kruga dolazi do usmjerenoga gibanja iona prema suprotno nabijenim elektrodama.

Koristeći se interaktivnim shematskim prikazom otkrijte koji su produkti elektrolize talina natrijeva klorida.

Elektroliza vodenih otopina soli

Elektroliza je moguća samo u sustavima gdje ima slobodnih iona koji se mogu gibati i prenositi elektrone, tj. u talinama ili otopinama ionskih spojeva.

1. Pokus: Elektroliza vode

Što se zbiva na elektrodama tijekom procesa elektrolize vode istražite praćenjem sljedećega pokusa.

Bakrov(II) klorid otopljen u vodi disocira na bakrove, Cu²⁺(aq), i kloridne, Cl^–(aq), ione. Iako se uz bakrove i kloridne ione u vodenoj otopini te soli nalaze i molekule vode, na katodi će doći do redukcije bakrovih iona u elementarni bakar, a na anodi će doći do oksidacije kloridnih iona u elementarni klor jer su to energijski povoljnije reakcije.

Koristeći se interaktivnim shematskim prikazom otkrijte koji su produkti elektrolize vodene otopine bakrova(II) klorida.

Alkalijske, zemnoalkalijske metale i aluminij ne može se dobiti elektrolizom iz vodenih otopina njihovih soli jer se umjesto njihovih iona na katodi reducira voda i nastaje vodik. Stoga se te metale može dobiti elektrolizom talina odgovarajućih soli. Također, ako se u vodenoj otopini nalaze poliatomni anioni: CO₃^2–(aq), NO₃^–(aq), PO₄^3–(aq), SO₄^2–(aq), na anodi se umjesto njih oksidira voda i oslobađa kisik jer je to energijski povoljnije.

Problemsko pitanje

Kvantitativni odnosi pri elektrolizi

Kvantitativne odnose pri elektrolizi ispitivao je Michael Faraday i dokazao da postoji izravna kvantitativna veza između mase izlučene tvari na elektrodi i ukupnog naboja ( Q = I ∙ t) koji prođe kroz elektrolizni članak.

Množina tvari koja se izluči elektrolizom može se izračunati s pomoću sljedećega izraza:

[latex]n(tvar)=\frac{Q}{z\cdot F}[/latex]

[latex]Q=I\cdot t[/latex]

[latex]n(tvar)=\frac{I\cdot t}{z\cdot F}[/latex]

gdje je:

n – množina tvari

Q – električni naboj (As ili C)

z – broj elektrona koji sudjeluju u redoks-reakciji

F – Faradayeva konstanta

(F = 96 480 C mol^–1 ili F = 26,80 Ah mol^–1)

I – jakost struje (A)

t – vrijeme (s)

I. Faradayjev zakon kazuje da je množina tvari koja se pri elektrolizi izluči na katodi ili anodi proporcionalna količini električnog naboja koji proteče kroz elektrolit.

II. Faradayjev zakon kazuje da se množine tvari izlučene na elektrodama odnose obrnuto proporcionalno broju izmijenjenih elektrona u tim reakcijama.

ZADATAK:

Kolika se masa nikla izluči na katodi pri elektrolizi vodene otopine niklova(II) klorida ako kroz elektrolizni članak pet sati teče struja jakosti 3,00 A. Napišite jednadžbu katodne reakcije. Koliki je električni naboj koji proteče kroz elektrolizni članak u tome procesu?

ZADANO JE:

t = 5,00 h

I = 3,00 A

TRAŽI SE:

m(Ni) = ?

IZRADAK:

Napiše se jednadžba redukcije niklovih iona na katodi i odredi broj elektrona koji sudjeluju u reakciji.

katoda (−): Ni²⁺ + 2e⁻ → Ni z= 2

Izraz za množinu tvari izlučene na elektrodi:

[latex]n(Ni)=\frac{I\times t}{z\times F}[/latex]

n(Ni)= I ⋅ t / z ⋅ F

Budući da je množina nikla jednaka omjenu mase i molarne mase nikla:

[latex]n(Ni)=\frac{m(Ni)}{M(Ni)}[/latex]

n(Ni)= m(Ni) / M(Ni)

Izraz za masu izlučene tvari na elektrodi jest sljedeći:

[latex]m(Ni)=\frac{I\times t\times M(Nit)}{z\times F}[/latex]

m(Ni)= I ⋅ t ⋅ M(Ni) / z ⋅ F

[latex]m(Ni)=\frac{3,00A\times5,00h\times58,7gmol^{-1}}{2\times26,8Ahmol^{-1}}=16,4g[/latex]

m(Ni)= 3,00 A ⋅ 5,00 h ⋅ 58,7 g mol⁻¹ / 2 ⋅ 26,8 As mol⁻¹= 16,4 g

ODGOVOR:

Pri elektrolizi vodene otopine niklova(II) klorida na katodi se izluči 16,4 grama nikla.

Riješite zadatak.

Pozorno proučite shematski prikaz.

Navedite razlike između elektroliznog i galvanskog članka.
Je li elektroliza spontan proces? Objasnite.
Je li katoda u elektroliznom članku pozitivna ili negativna elektroda?