Elektroliza stopionych soli i wodnych roztworów oraz prawa Faradaya
Ogniwo Daniella — Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu
### Czym jest elektroliza?
Elektroliza to ogół reakcji chemicznych wymuszonych przepływem prądu stałego z zewnętrznego źródła. Prąd „pompuje” elektrony na jedną z elektrod, czyniąc ją katodą (biegun ujemny w elektrolizerze), gdzie zachodzi **redukcja**. Z kolei anoda (biegun dodatni) to miejsce odbierania elektronów z roztworu, co wiąże się z procesem **utleniania**.
### Reguły elektrolizy wodnych roztworów (dla elektrod obojętnych, np. Pt, C)
Z uwagi na obecność cząsteczek wody w roztworze, jony z rozpuszczonej soli muszą z nią „konkurować” o możliwość reakcji przy elektrodzie.
**Katoda (-): Redukcja**
* Kationy metali bardzo aktywnych (grupa 1, 2 oraz glin) **nie redukują się**. Zamiast nich redukuje się woda z wydzieleniem wodoru:
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
* Kationy metali położonych poniżej glinu (np. Zn²⁺, Cu²⁺, Ag⁺) redukują się do wolnych metali:
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
**Anoda (+): Utlenianie**
* Aniony reszt kwasów beztlenowych (np. Cl⁻, Br⁻, I⁻, z wyjątkiem F⁻) **utleniają się** do pierwiastków:
2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
* Aniony reszt kwasów tlenowych (np. SO₄²⁻, NO₃⁻) **nie utleniają się**. Zamiast nich utlenia się woda z wydzieleniem tlenu:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
*(Uwaga: Powyższe reguły nie dotyczą tzw. anod aktywnych np. z miedzi czy srebra, które same łatwiej ulegają utlenieniu i rozpuszczają się, wytwarzając własne kationy w roztworze).*
### Elektroliza stopionych soli
W stopionych solach (brak wody!) produktem jest zawsze metal i niemetal, z których sól się składa. Pozwala to otrzymywać na skalę przemysłową metale najbardziej aktywne. Przykład – stopiony chlorek sodu:
Katoda (-): Na⁺ + e⁻ → Na
Anoda (+): 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻
### Prawa Faradaya
Procesy na elektrodach wiążą się ściśle z przepływającym ładunkiem (Q). Pamiętajmy, że Q = I · t (natężenie prądu w amperach pomnożone przez czas w **sekundach**).
Jedna stała Faradaya (F ≈ 96500 C/mol) to ładunek 1 mola elementarnych ładunków (elektronów). Stąd zależność na liczbę moli wymieniających się elektronów:
ne = (I · t)/F
Jeśli kation potrzebuje *z* elektronów do redukcji (np. Cu²⁺ wymaga 2), masę wydzielonej substancji obliczamy wzorem:
m = (M · I · t)/(z · F).
### Przykład z rozwiązaniem
**Zadanie:** Jaką masę srebra wydzieli prąd o natężeniu 5 A płynący przez roztwór AgNO₃ przez 32 minuty i 10 sekund? (M(Ag) = 108 g/mol)
**Rozwiązanie:**
1. Przelicz czas na sekundy: t = 32 · 60 + 10 = 1930 s.
2. Z wzoru: m = (108 · 5 · 1930)/(1 · 96500).
3. Wykonując obliczenia (można uprościć 5 · 1930 = 9650): m = (108 · 9650)/96500 = 108 · 0,1 = 10,8 g.
Zapamiętaj
W elektrolizerze anoda to biegun +, katoda to biegun -.
W wodnych roztworach kationy aktywne (do Al włącznie) i aniony tlenowe są 'wypierane' z reakcji elektrodowych na rzecz cząsteczek H₂O.
Anoda aktywna z metalu powoduje utlenianie (rozpuszczanie) samej elektrody zamiast wody lub anionów z roztworu.
Prawa Faradaya wymagają czasu zawsze wyrażonego w sekundach.
Typowe błędy
Mylenie znaków elektrod z ogniwem galwanicznym (w ogniwie anoda jest minusem, w elektrolizie plusem!).
Brak zapisu wody w równaniach elektrodowych – częstym błędem jest zapisywanie redukcji Na⁺ w wodnym roztworze NaCl.
Wstawianie czasu w minutach zamiast przeliczenia na sekundy przed obliczeniem ładunku elektrycznego ze wzoru Faraday'a.
Wymagania podstawy programowej
VIII.3.1 Zapisuje równania reakcji elektrodowych podczas elektrolizy wodnych roztworów i stopionych soli; stosuje prawa Faradaya w obliczeniach.
Przykładowe zadania
Zadanie 1
Przeprowadzono dwa eksperymenty z wykorzystaniem elektrod grafitowych. W eksperymencie I elektrolizie poddano stopiony chlorek sodu. W eksperymencie II elektrolizie poddano wodny roztwór chlorku sodu z dodatkiem kilku kropli fenoloftaleiny.
1.1 Napisz równania reakcji zachodzących na katodzie i na anodzie podczas elektrolizy wodnego roztworu chlorku sodu w eksperymencie II. (2 pkt)
W wodnym roztworze NaCl na katodzie łatwiej redukuje się woda niż jony sodu, a na anodzie utleniają się jony chlorkowe (zgodnie z regułami elektrolizy z udziałem anionów beztlenowych).
1.2 Oceń prawdziwość podanych zdań dotyczących eksperymentu II. (1 pkt)
1. Przestrzeń wokół katody zabarwia się na malinowo, co świadczy o lokalnym wzroście pH. (P/F)
2. W wyniku postępu elektrolizy pH całego roztworu stopniowo maleje. (P/F)
3. Głównym gazowym produktem na katodzie jest wodór, a na anodzie chlor. (P/F)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: 1 – P, 2 – F, 3 – P
Na katodzie powstają jony OH⁻, co powoduje malinowe zabarwienie fenoloftaleiny (wzrost pH). Sumarycznie z roztworu usuwane są jony H⁺ (jako H₂) i Cl⁻, co powoduje wzrost pH całego układu.
1.3 Wybierz główny produkt redukcji zachodzącej podczas eksperymentu I (elektroliza stopionej soli). (1 pkt)
A. Na
B. H₂
C. Cl₂
D. O₂
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: A. Na
W stopionym chlorku sodu nie ma cząsteczek wody. Jedynymi kationami są jony Na⁺, które ulegają redukcji na katodzie do metalicznego sodu.
Zadanie 2
Rafinacja elektrolityczna pozwala na otrzymanie bardzo czystej miedzi. W procesie tym elektrolitem jest wodny roztwór siarczanu(VI) miedzi(II) (CuSO₄) zakwaszony kwasem siarkowym(VI). Jedna z elektrod jest wykonana z miedzi zanieczyszczonej (tzw. miedź surowa), a druga z bardzo czystej miedzi. Podczas procesu na dno naczynia opada tzw. szlam anodowy, zawierający zanieczyszczenia (m.in. srebro, złoto).
2.1 W procesie rafinacji miedzi zanieczyszczona miedź stanowi w wannie elektrolitycznej ___. (1 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: anoda
Miedź surowa musi się utleniać, przechodząc do roztworu w postaci jonów Cu²⁺, proces ten zachodzi na anodzie.
2.2 Napisz równanie reakcji zachodzącej na elektrodzie wykonanej z zanieczyszczonej miedzi. Wyjaśnij krótko, dlaczego na tej elektrodzie nie dochodzi do utleniania cząsteczek wody ani anionów siarczanowych(VI). (2 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: Równanie: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
Wyjaśnienie: Miedź jest elektrodą aktywną, a jej utlenienie wymaga mniejszego nakładu energii (zachodzi przy niższym potencjale) niż utlenianie cząsteczek wody czy anionów SO₄²⁻.
Miedź zanieczyszczona pełni rolę elektrody aktywnej. Standardowy potencjał utleniania miedzi jest niższy niż potencjał utleniania wody (lub anionów reszt kwasów tlenowych).
