Elektrolizni članci

U talinama i vodenim otopinama elektrolita nalaze se slobodni, pokretljivi ioni, koji se pod utjecajem električnog polja gibaju prema suprotno nabijenoj elektrodi. Na elektrodama u elektroliznom članku zbivaju se redoks-reakcije. U galvanskom članku istosmjerna struja nastaje, dok se u elektroliznom članku ona troši.

Rastavljanje tvari djelovanjem električne struje zove se elektroliza.

Elektroliza je redoks-reakcija koja se ne zbiva spontano, već isključivo djelovanjem električne struje. Provodi se u elektroliznom članku u kojem se električna energija pretvara u kemijsku.

Elektrolizni članak se sastoji od posude s elektrolitom, u koji su uronjene dvije elektrode spojene na izvor istosmjerne struje.

Anoda se spaja na pozitivni pol (+), a katoda na negativni pol (-) izvora električne struje.

Elektrode mogu biti od istovrsnoga (grafitne olovke) ili različitoga materijala, ovisno o elektrolitu.

Elektrolit može biti talina ili vodena otopina neke soli, kiseline ili lužine.

Nakon što se elektrode urone u elektrolit i spoje na izvor istosmjerne struje dolazi do procesa elektolize.

Na anodi dolazi do oksidacije , a na katodi do redukcije.

Pr. Što se događa kada elektrolizi podvrgnemo talinu natrijeva klorida?

Natrijev klorid, NaCl (s) je ionski kristal. Zagrijavanjem u metalnom lončiću iznad 800 °C, natrijev klorid (NaCl) se rastali. Na taj način nastaje talina, elektrolit u kojem se nalaze natrijevi (Na⁺) i kloridni (Cl^–) ioni. Ioni se slobodno gibaju u svim smjerovima. U talinu se urone grafitne elektrode. Grafitne elektrode se spoje električnim vodičima na bateriju.

Nakon zatvaranja strujnoga kruga dolazi do usmjerenoga gibanja iona prema suprotno nabijenim elektrodama.

Natrijevi ioni, Na⁺ (kationi) usmjeravaju se prema negativnoj (-) elektrodi, katodi. Kloridni ioni, Cl^- (anioni) usmjeravaju se prema pozitivnoj (+) elektrodi, anodi. Na katodi se natrijevi ioni reduciraju, a na anodi se kloridni ioni oksidiraju.

Elektrolizu taline natrijeva klorida (NaCl) možemo prikazati reakcijom:

Na katodi dolazi do lučenja čvrstog natrija, a na anodi dolazi do nastajanja plinovitog klora.

Elektroliza vode

Elektrolizu vode najbolje je izvesti u Hofmannovu aparatu s platinskim elektrodama jer se može pratiti kvalitativni i kvantitativni tijek reakcije.

Voda je slabi elektrolit.

U vodu je potrebno dodati malo razrijeđene sumporne kiseline (H₂SO₄) da bi joj se povećala vodljivost.

Pri elektrolizi vode na elektrodama se odvijaju sljedeće reakcije:

Na katodi dolazi do lučenja vodika te je moguće za primijetiti da je pH vrijednost katodnog prostora veća od 7 (bazično područje). Na anodi dolazi do lučenja kisika te je moguće za primijetiti da je pH vrijednost anodnog prostora manja od 7 (kiselo područje). Također, omjer množina nastalog vodika i kisika je 2:1, a takva smjesa plinova naziva se praskavac.

Elektroliza vodenih otopina soli

Elektrolizom vodenih otopina soli u kojima se nalaze kationi alkalijskih i zemnoalkalijskih metala te aluminijevi ili amonijevi kationi, na katodi će se reducirati molekule vode.

Ako se u vodenim otopinama soli nalaze anioni u kojima je oksidacijski broj središnjeg atoma maksimalan (npr. oksidacijski broj atoma sumpora (S) u sulfatnom ionu je VI), na anodi će se oksidirati molekule vode.

Jednadžbe kemijskih polureakcija za navedene elektrode te ione nalaze se u tablici.

Elektroliza vodene otopine natrijeva klorida

U vodenim se otopinama, osim molekula vode, nalaze i ioni disociranih soli, kiselina ili lužina.

Tada se na elektrodama reduciraju ili oksidiraju oni ioni ili molekule za čiju je reakciju potrebna manja (<) energija.

Budući da je standardni redukcijski potencijal natrija (Eº (Na⁺/Na) = – 2,71 V) negativniji u odnosu na standardni redukcijski potencijal vode. (Eº (H₂O/H₂) = – 0,83 V), na katodi dolazi do redukcije molekula vode. Stoga se elektroliza vodene otopine natrijeva klorida prikazuje jednadžbama kemijskih reakcija:

Produkti elektrolize zasićene vodene otopine natrijeva klorida (NaCl) su:

1. vodik (H₂) na katodi,
2. klor (Cl) na anodi,
3. natrijeva lužina (NaOH)

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 koji prođe kroz elektrolizni članak.

Faradayevi zakoni elektrolize

I. Faradayjev zakon:

Masa tvari (m) izlučena na elektrodi proporcionalna je množini (n) elektriciteta koja je prošla kroz elektrolit.

II. Faradayjev zakon:

Množine tvari (n) izlučene na elektrodama (serijski spojenih elektrolizera) istom

množinom (n) elektriciteta odnose se obrnuto proporcionalno broju izmijenjenih

elektrona u tim reakcijama.

Množina tvari (n) koje nastanu elektrolizom ovisi o: električnom naboju, Q, koji proteče kroz elektrolizer; vremenu trajanja elektrolize (t); broju elektrona koji sudjeluju u redoks-reakciji, (z).

Količina (Q) električnog naboja jednaka je umnošku jakosti (I) električne struje i vremenu trajanja elektrolize, t, ali i umnošku množine elektrona koji sudjeluju u reakciji te Faradayeve konstante.

Električni naboj koji prenosi 1 mol elektrona naziva se Faradayeva [Faradejeva] konstanta, F, te iznosi 96500 C mol^-1.